RU2167262C2

RU2167262C2 - Process of surfacing with hard alloy with coated diamond particles ( versions ), filler rod for surfacing with hard alloy, cone drill bit for rotary drilling

Info

Publication number: RU2167262C2
Application number: RU98104065/03A
Authority: RU
Inventors: Джеймс В. Мл. ЛЭНГФОРД (US); Джеймс В. Мл. ЛЭНГФОРД; Роберт ДЕЛЬВИЧЕ (BE); Роберт Дельвиче
Original assignee: Дрессер Индастриз, Инк.
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 2001-05-20

Abstract

FIELD: oil and gas industry, drilling tools with hard-alloy surfacing. SUBSTANCE: process of surfacing with hard alloy is meant for protection of wear surfaces of drill bits and other drilling tools with alloy carrying coated diamond particles dispersed in metal matrix of coat and coupled to it. Layer with diamond particles can be formed from such materials and alloys as particles of wolfram carbide, wolfram/cobalt carbide and cermets such as metal carbides and metal nitrites. Coated diamond particles are predominantly sintered and have spherical form ( form of balls ). Coated diamond particles are mixed in advance with chosen materials so that metallurgical and mechanical coupling in volume of metal matrix of coat due to welding and cooling is formed. Filler rod is manufactured thanks to injection of mixture of coated diamond particles as well as hard particles such as particles of wolfram/cobalt carbide and of loose materials of filling agent into steel pipe. Surfacing with hard alloy of substrate is conducted thanks to gradual melting of filler rod over chosen surface of substrate with subsequent crystallization of molten material. Sought-for surfacing with coated diamond particles dispersed in deposited material on surface of substrate is formed as result of it. EFFECT: raised reliability and prolonged durability. 39 cl, 10 dwg

Description

Настоящее изобретение в общем виде имеет отношение к образованию наплавленного слоя твердого сплава, который содержит покрытые или инкрустированные (покрытые коркой) алмазы, диспергированные в металлической матрице покрытия, а более конкретно, имеет отношение к усовершенствованной наплавке твердым сплавом для защиты буровых долот и других скважинных инструментов. The present invention in General relates to the formation of a deposited layer of hard alloy, which contains coated or inlaid (crusty) diamonds dispersed in the metal matrix of the coating, and more particularly, relates to improved hardfacing to protect drill bits and other downhole tools .

Наплавка твердым сплавом поверхностей металлов и подложек представляет собой хорошо известную технику снижения или предотвращения эрозии и износа поверхностей металлов и подложек. Наплавка твердым сплавом в общем виде может быть определена как нанесение слоя твердого, абразивостойкого материала на менее стойкую поверхность или подложку при помощи плакирования, сварки, напыления или других хорошо известных технологий нанесения покрытия. Наплавка твердым сплавом часто используется для увеличения срока службы буровых долот и других скважинных инструментов, которые применяются в нефтяной и газовой промышленности. Карбид титана и его различные сплавы представляют собой некоторые наиболее широко используемые наплавляемые твердые сплавы, которые применяются для защиты буровых долот и других скважинных инструментов. Carbide surfacing of surfaces of metals and substrates is a well-known technique for reducing or preventing erosion and wear of surfaces of metals and substrates. Hardfacing in general can be defined as applying a layer of hard, abrasion-resistant material to a less resistant surface or substrate using cladding, welding, spraying or other well-known coating technologies. Hardfacing is often used to extend the life of drill bits and other downhole tools used in the oil and gas industry. Titanium carbide and its various alloys are some of the most widely used surfaced hard alloys that are used to protect drill bits and other downhole tools.

Наплавка твердым сплавом обычно предусматривает ввод смеси твердого износостойкого материала в металлическую матрицу покрытия, которое преимущественно сплавляют с поверхностью подложки за счет образования металлургических связей для обеспечения однородного сцепления наплавленного сплава с подложкой. В некоторых применениях износостойкий материал, такой как сплав карбида вольфрама и/или кобальта, помещают в стальную трубку, которая служит в качестве присадочного прутка в ходе сварки наплавляемого твердого сплава (наплавки) с подложкой. Эта техника нанесения наплавки иногда именуется "трубчатой прутковой сваркой". Наплавка карбида вольфрама и/или кобальта при помощи трубчатых прутков оказалась очень успешной в увеличении срока службы буровых долот и других скважинных инструментов. Carbide surfacing usually involves introducing a mixture of hard wear-resistant material into the metal matrix of the coating, which is predominantly fused to the surface of the substrate due to the formation of metallurgical bonds to ensure uniform adhesion of the deposited alloy to the substrate. In some applications, a wear-resistant material, such as an alloy of tungsten carbide and / or cobalt, is placed in a steel tube, which serves as a filler rod during welding of the deposited hard alloy (surfacing) with the substrate. This surfacing technique is sometimes referred to as "tube welding." Surfacing of tungsten carbide and / or cobalt with tubular rods has been very successful in increasing the life of drill bits and other downhole tools.

Роторные конические буровые долота (конусные шарошки) часто используют для бурения скважин при разведке и добыче нефти и газа. В этом типе долот обычно используют три конических шарошки, которые установлены с возможностью вращения на шпинделях, выступающих из несущих рычагов долота. Шарошки установлены на соответствующих шпинделях, которые выступают вниз и внутрь относительно оси долота, так что конические стороны шарошек имеют тенденцию к качению по дну скважины и к контакту с формацией. Conical rotary drill bits (cone cones) are often used for drilling wells in the exploration and production of oil and gas. In this type of bit, three conical cones are usually used, which are mounted rotatably on spindles protruding from the bearing levers of the bit. The cones are mounted on respective spindles that protrude downward and inward relative to the axis of the bit, so that the conical sides of the cones tend to roll along the bottom of the well and to contact with the formation.

В некоторых применениях на шарошках образуют фрезерованные зубья для работы в тех зонах, которые контактируют с дном и периферической стенкой скважины в ходе операции бурения. Срок службы фрезерованных зубьев может быть увеличен за счет добавки частиц карбида вольфрама к покрытию твердым металлом некоторых областей износа фрезерованных зубьев. Эта операция иногда именуется "наплавкой твердым сплавом". В патенте США N 4262761 от 21 апреля 1981 г. раскрыто применение наплавки для фрезерованных зубьев. In some applications, milled teeth are formed on cones to work in areas that come into contact with the bottom and the peripheral wall of the well during a drilling operation. The service life of the milled teeth can be increased by adding tungsten carbide particles to the hard metal coating of certain wear areas of the milled teeth. This operation is sometimes referred to as "hardfacing." US Pat. No. 4,262,761, dated April 21, 1981, discloses the use of surfacing for milled teeth.

В других применениях на внешней части шарошек могут быть образованы гнезда и вставки из твердого металла могут быть установлены в этих гнездах для работы в тех зонах, которые контактируют с дном и периферической стенкой скважины в ходе операции бурения. Срок службы таких вставок и шарошек может быть увеличен за счет науглероживания внешней поверхности шарошек. В патенте США N 4679640 от 14 июля 1987 г. раскрыто применение науглероживания шарошек. In other applications, sockets can be formed on the outside of the cutters and solid metal inserts can be installed in these sockets for operation in those areas that contact the bottom and the peripheral wall of the well during the drilling operation. The service life of such inserts and cones can be increased by carburizing the outer surface of cones. US Pat. No. 4,679,640 of July 14, 1987 discloses the use of carburization of cones.

Самые различные наплавляемые материалы могут быть с успехом использованы для буровых долот и других скважинных инструментов. Часто используют наплавку спеченных частиц карбида вольфрама в матрице покрытия из сплава стали. Частицы карбида вольфрама могут содержать зерна карбида моновольфрама, карбида бивольфрама и/или макрокристаллического карбида вольфрама, сцементированного со связкой, такой как железо, никель, сплавы железа и другие сплавы металлов. Сыпучий материал наплавки обычно помещают в полую трубку или в присадочный пруток и наносят на подложку при использовании обычной техники сварки. В результате осуществления процесса сварки образуется матрица, которая включает в себя как сплав стали, полученный расплавлением поверхности подложки, так и сплав стали, полученный наплавкой от присадочного прутка или полой трубки. В качестве части связки для матрицы могут быть использованы различные сплавы кобальта, никеля и/или стали. Для образования наплавки (для наплавления) в дополнение к карбиду вольфрама используют карбиды и нитриды других тяжелых металлов. A wide variety of surfaced materials can be successfully used for drill bits and other downhole tools. Surfacing of sintered tungsten carbide particles in a steel alloy coating matrix is often used. Particles of tungsten carbide may contain grains of monoform tungsten carbide, bivungsten carbide and / or macrocrystalline tungsten carbide cemented with a binder such as iron, nickel, iron alloys and other metal alloys. Bulk surfacing material is usually placed in a hollow tube or in a filler rod and applied to the substrate using a conventional welding technique. As a result of the welding process, a matrix is formed, which includes both the alloy of steel obtained by melting the surface of the substrate and the alloy of steel obtained by surfacing from a filler rod or a hollow tube. As a part of the matrix bond, various alloys of cobalt, nickel and / or steel can be used. In addition to tungsten carbide, carbides and nitrides of other heavy metals are used to form a deposition (for deposition).

В скважинных буровых долотах для создания режущих поверхностей и износостойких поверхностей используют как природные, так и синтетические алмазы. В патенте США N 4140189 раскрыто использование алмазных вставок, выступающих из затылочной поверхности конической шарошки. Поликристаллические алмазные вставки широко используют в буровых долотах для предотвращения эрозии и износа в тяжелых условиях скважинного бурения. In borehole drill bits, both natural and synthetic diamonds are used to create cutting surfaces and wear-resistant surfaces. US Pat. No. 4,140,189 discloses the use of diamond inserts protruding from the occipital surface of the cone. Polycrystalline diamond inserts are widely used in drill bits to prevent erosion and wear in harsh borehole drilling conditions.

В соответствии с настоящим изобретением главным образом сокращены или устранены недостатки и проблемы, связанные с известными ранее материалами для наплавки. В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предлагается буровое долото со слоями наплавки, имеющими покрытые алмазные частицы, что в результате позволило получить лучшие характеристики абразивного истирания и износа, а также лучшие характеристики стойкости к другим напряжениям (нагрузкам), связанным с повторным скважинным использованием в тяжелых условиях. In accordance with the present invention, the disadvantages and problems associated with previously known surfacing materials are mainly reduced or eliminated. In accordance with one aspect of the present invention, there is provided a drill bit with surfacing layers having coated diamond particles, resulting in better abrasion and wear characteristics, as well as better resistance to other stresses (loads) associated with downhole use in harsh conditions.

Одно из технических преимуществ настоящего изобретения связано с предусмотрением слоя наплавляемого материала только на определенных участках бурового долота для предотвращения нежелательного абразивного износа и/или эрозии защищенных зон бурового долота. В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, предлагается размещение слоя наплавляемого материала, содержащего покрытые алмазные частицы, на внешних поверхностях фрезерованных зубьев для предотвращения преждевременного износа фрезерованных зубьев в ходе скважинного бурения и для существенного увеличения срока службы соответствующего бурового долота. One of the technical advantages of the present invention is associated with the provision of a layer of deposited material only in certain areas of the drill bit to prevent unwanted abrasion and / or erosion of the protected areas of the drill bit. In accordance with one aspect of the present invention, it is proposed to place a layer of deposited material containing coated diamond particles on the external surfaces of the milled teeth to prevent premature wear of the milled teeth during downhole drilling and to significantly increase the service life of the corresponding drill bit.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается смешивать покрытые алмазные частицы с обычными композициями трубчатого присадочного прутка для получения улучшенной наплавленной поверхности на подложке. В соответствии с первым вариантом настоящего изобретения, каждый фрезерованный зуб конусной шарошки полностью покрыт слоем наплавленного материала, который содержит покрытые алмазные частицы в соответствии с настоящим изобретением. Покрытые алмазные частицы преимущественно спекают до осуществления их перемешивания с другими материалами, которые будут использоваться для образования наплавленного слоя на подложке. In accordance with another aspect of the present invention, it is proposed to mix coated diamond particles with conventional tubular filler rod compositions to provide an improved weld surface on a substrate. In accordance with the first embodiment of the present invention, each milled cone tooth is completely coated with a layer of deposited material that contains coated diamond particles in accordance with the present invention. Coated diamond particles are predominantly sintered before they are mixed with other materials that will be used to form a deposited layer on the substrate.

Технические преимущества настоящего изобретения заключаются в нанесении слоя металлической матрицы на алмазную частицу и в спекании слоя металлической матрицы с образованием химических или металлургических связей между слоем металлической матрицы и поверхностью алмазной частицы. Спекание слоя металлической матрицы также может быть использовано для изменения плотности результирующего покрытия алмазной частицы таким образом, что эта плотность может быть равной или большей плотности твердых материалов, использованных для образования металлической матрицы покрытия, когда твердые материалы находятся в их расплавленном состоянии. The technical advantages of the present invention lie in applying a layer of a metal matrix to a diamond particle and in sintering a layer of a metal matrix with the formation of chemical or metallurgical bonds between the layer of the metal matrix and the surface of the diamond particle. Sintering of the metal matrix layer can also be used to change the density of the resulting coating of the diamond particle so that this density can be equal to or greater than the density of the solid materials used to form the metal coating matrix when the solid materials are in their molten state.

Покрытие в виде металлической матрицы преимущественно наносят на подложку за счет использования различных видов техники наплавки, с образованием химических или металлургических связей между поверхностью подложки и металлической матрицей покрытия, а также между металлической матрицей покрытия и слоем металлической матрицы на каждой алмазной частице. The coating in the form of a metal matrix is mainly applied to the substrate by using various types of surfacing techniques, with the formation of chemical or metallurgical bonds between the surface of the substrate and the metal coating matrix, as well as between the metal coating matrix and the metal matrix layer on each diamond particle.

Основным аспектом настоящего изобретения является создание наплавки твердым сплавом для защиты подложки от абразивного истирания и износа, характеризующейся тем, что она включает в себя металлическую матрицу покрытия, которая имеет участок матрицы и множество покрытых алмазных частиц, расположенных на нем; причем каждая из покрытых алмазных частиц имеет слой покрытия твердым материалом, расположенный на внешней части соответствующей алмазной частицы, с множеством первичных металлургических связей, образованных между внешней частью каждой алмазной частицы и соответствующим слоем твердого материала; при этом покрытые алмазные частицы капсулированы в участке матрицы с множеством вторичных металлургических связей, образованных между соответствующим слоем твердого материала на каждой алмазной частице и участком матрицы; и множество прочных металлургических связей, образованных между участком матрицы и подложкой. The main aspect of the present invention is the creation of hardfacing to protect the substrate from abrasion and wear, characterized in that it includes a metal coating matrix, which has a portion of the matrix and many coated diamond particles located on it; moreover, each of the coated diamond particles has a coating layer of solid material located on the outer part of the corresponding diamond particles, with many primary metallurgical bonds formed between the outer part of each diamond particle and the corresponding layer of solid material; wherein, coated diamond particles are encapsulated in a matrix portion with a plurality of secondary metallurgical bonds formed between a corresponding layer of solid material on each diamond particle and a matrix portion; and many strong metallurgical bonds formed between the matrix portion and the substrate.

Наплавка может дополнительно включать в себя множество частиц карбида вольфрама, капсулированных в участке матрицы; и частицы карбида вольфрама, перемешанные с покрытыми алмазными частицами. Surfacing may further include a plurality of tungsten carbide particles encapsulated in a portion of the matrix; and tungsten carbide particles mixed with coated diamond particles.

Каждая алмазная частица до нанесения покрытия имеет главным образом один и тот же размер или же частицы до нанесения покрытия имеют два различных размера. Each diamond particle before coating is mainly of the same size or the particles before coating are two different sizes.

Покрытые алмазные частицы имеют плотность, приблизительно равную плотности матричного участка металлической матрицы покрытия или превышающую плотность ее. Coated diamond particles have a density approximately equal to or greater than the density of the matrix portion of the metal matrix of the coating.

Наплавка может дополнительно включать в себя материал, перемешанный с множеством покрытых алмазных частиц, причем дополнительный материал выбран из группы, которая содержит карбиды, нитриды, оксиды вольфрама, карбиды, нитриды, оксиды углерода и силикаты частиц ниобия, ванадия, молибдена, кремния, титана, тантала, иттрия, циркония, хрома, бора или их смесь. Surfacing may further include a material mixed with a variety of coated diamond particles, the additional material selected from the group consisting of carbides, nitrides, tungsten oxides, carbides, nitrides, carbon oxides and silicates of niobium, vanadium, molybdenum, silicon, titanium particles, tantalum, yttrium, zirconium, chromium, boron, or a mixture thereof.

Участок матрицы содержит материал связки, выбранный из группы, которая содержит сплавы на базе меди, никеля, железа и кобальта. The matrix portion contains a binder material selected from the group that contains alloys based on copper, nickel, iron and cobalt.

Наплавка может также дополнительно включать в себя наплавленное покрытие на каждой алмазной частице, образованное частично карбидом вольфрама; множество частиц карбида вольфрама, перемешанных с покрытыми алмазными частицами; и участок матрицы, образованный сплавами кобальта, стали и карбида вольфрама. Surfacing may also further include a deposited coating on each diamond particle, partially formed by tungsten carbide; a plurality of tungsten carbide particles mixed with coated diamond particles; and a matrix portion formed by alloys of cobalt, steel and tungsten carbide.

Покрытые алмазные частицы целесообразно перемешивать с частицами нитрида углерода. It is advisable to mix coated diamond particles with carbon nitride particles.

Другой вариант наплавки твердым сплавом для защиты подложки от абразивного истирания и износа характеризуется тем, что включает в себя металлическую матрицу покрытия, которая имеет участок матрицы и множество покрытых алмазных частиц, расположенных на нем; причем каждая из покрытых алмазных частиц имеет слой покрытия твердым материалом, расположенный на внешней части соответствующей алмазной частицы, с множеством первичных металлургических связей, образованных между внешней частью каждой алмазной частицы и соответствующим слоем твердого материала, при этом слой твердого материала содержит сплавы металлов и керметы, выбранные из группы, которая включает в себя бориды металлов, карбиды металлов, оксиды металлов и нитриды металлов; причем покрытые алмазные частицы капсулированы в участке матрицы с множеством вторичных металлургических связей, образованных между соответствующим слоем твердого материала на каждой алмазной частице и участком матрицы; при этом участок матрицы имеет множество третичных металлургических связей, образованных между участком матрицы и подложкой. Another embodiment of hardfacing to protect the substrate from abrasion and wear is characterized in that it includes a metal coating matrix that has a portion of the matrix and a plurality of coated diamond particles disposed thereon; moreover, each of the coated diamond particles has a coating layer of solid material located on the outer part of the corresponding diamond particles, with many primary metallurgical bonds formed between the outer part of each diamond particle and the corresponding layer of solid material, while the layer of solid material contains metal alloys and cermets, selected from the group which includes metal borides, metal carbides, metal oxides and metal nitrides; moreover, the coated diamond particles are encapsulated in a portion of the matrix with many secondary metallurgical bonds formed between the corresponding layer of solid material on each diamond particle and the portion of the matrix; the portion of the matrix has many tertiary metallurgical bonds formed between the portion of the matrix and the substrate.

Покрытые алмазные частицы связаны с участком матрицы как механически, так и при помощи указанных третичных металлургических связей. Coated diamond particles are bonded to a portion of the matrix both mechanically and via the indicated tertiary metallurgical bonds.

Еще один вариант наплавки характеризуется тем, что включает в себя металлическую матрицу покрытия, которая имеет участок матрицы и множество покрытых алмазных частиц, расположенных на нем; причем каждая из покрытых алмазных частиц имеет слой покрытия твердым материалом, расположенный на внешней части соответствующей алмазной частицы, с множеством первичных металлургических связей, образованных между внешней частью каждой алмазной частицы и соответствующим слоем твердого материала; причем покрытые алмазные частицы капсулированы в участке матрицы с множеством вторичных металлургических связей, образованных между соответствующим слоем твердого материала на каждой алмазной частице и участком матрицы; при этом участок матрицы содержит материалы связки, выбранные из группы, которая включает в себя кобальт, никель, медь, железо и их сплавы, причем указанный участок матрицы дополнительно содержит различные сплавы и керметы, выбранные из группы, которая включает в себя карбиды металлов, оксиды металлов и нитриды металлов; при этом указанные покрытые алмазные частицы имеют множество вторичных металлургических связей, образованных между соответствующим слоем твердого материала на каждой алмазной частице и участком матрицы; причем указанный участок матрицы имеет множество третичных металлургических связей, образованных между участком матрицы и подложкой. Another option for surfacing is characterized in that it includes a metal coating matrix, which has a portion of the matrix and many coated diamond particles located on it; moreover, each of the coated diamond particles has a coating layer of solid material located on the outer part of the corresponding diamond particles, with many primary metallurgical bonds formed between the outer part of each diamond particle and the corresponding layer of solid material; moreover, the coated diamond particles are encapsulated in a portion of the matrix with many secondary metallurgical bonds formed between the corresponding layer of solid material on each diamond particle and the portion of the matrix; wherein the matrix section contains ligament materials selected from the group that includes cobalt, nickel, copper, iron and their alloys, said matrix region further comprising various alloys and cermets selected from the group which includes metal carbides, oxides metals and metal nitrides; however, these coated diamond particles have many secondary metallurgical bonds formed between the corresponding layer of solid material on each diamond particle and a portion of the matrix; wherein said matrix portion has a plurality of tertiary metallurgical bonds formed between the matrix portion and the substrate.

Еще один вариант наплавки характеризуется тем, что она включает в себя металлическую матрицу покрытия, которая имеет участок матрицы и множество покрытых алмазных частиц, расположенных на нем; причем каждая из покрытых алмазных частиц имеет слой покрытия твердым материалом, расположенный на внешней части соответствующей алмазной частицы, с множеством первичных металлургических связей, образованных между внешней частью каждой алмазной частицы и соответствующим слоем твердого материала, при этом указанный твердый материал содержит сплавы металлов и керметы, выбранные из группы, которая включает в себя карбиды металлов, оксиды металлов и нитриды металлов; причем покрытые алмазные частицы капсулированы в участке матрицы с множеством вторичных металлургических связей, образованных между соответствующим слоем твердого материала на каждой алмазной частице и участком матрицы; при этом указанный участок матрицы содержит материал связки, выбранный из группы, которая включает в себя кобальт, никель, медь, железо и их сплавы, причем указанный участок матрицы дополнительно содержит различные сплавы и керметы, выбранные из группы, которая включает в себя карбиды металлов, оксиды металлов и нитриды металлов; при этом покрытые алмазные частицы имеют множество вторичных металлургических связей, образованных между соответствующим слоем твердого материала на каждой алмазной частице и участком матрицы, причем участок матрицы имеет множество третичных металлургических связей, образованных между участком матрицы и подложкой. Another option for surfacing is characterized in that it includes a metal coating matrix, which has a portion of the matrix and many coated diamond particles located on it; moreover, each of the coated diamond particles has a coating layer of solid material located on the outer part of the corresponding diamond particles, with many primary metallurgical bonds formed between the outer part of each diamond particle and the corresponding layer of solid material, wherein said solid material contains metal alloys and cermets, selected from the group which includes metal carbides, metal oxides and metal nitrides; moreover, the coated diamond particles are encapsulated in a portion of the matrix with many secondary metallurgical bonds formed between the corresponding layer of solid material on each diamond particle and the portion of the matrix; wherein said matrix portion contains a binder material selected from the group that includes cobalt, nickel, copper, iron and their alloys, said matrix portion further comprising various alloys and cermets selected from the group that includes metal carbides, metal oxides and metal nitrides; however, the coated diamond particles have many secondary metallurgical bonds formed between the corresponding layer of solid material on each diamond particle and the matrix portion, and the matrix portion has many tertiary metallurgical bonds formed between the matrix portion and the substrate.

Другим аспектом настоящего изобретения является создание присадочного прутка для наплавки твердым сплавом подложки для защиты подложки от абразивного истирания и износа, который характеризуется тем, что включает в себя полую стальную трубку, которая закрыта с обоих концов; множество покрытых алмазных частиц, расположенных внутри стальной трубки, причем каждая из покрытых алмазных частиц содержит алмазную частицу, имеющую соответствующий спеченный слой твердого материала, покрывающий алмазную частицу коркой и имеющий с ней металлургическую связь. Another aspect of the present invention is the provision of a filler wire for hardfacing a substrate to protect the substrate from abrasion and wear, which is characterized in that it includes a hollow steel tube that is closed at both ends; a plurality of coated diamond particles located inside the steel tube, each of the coated diamond particles containing a diamond particle having a corresponding sintered layer of solid material, coating the diamond particle with a crust and having a metallurgical bond with it.

Присадочный пруток может дополнительно включать в себя множество частиц карбида вольфрама, перемешанных с покрытыми алмазными частицами, причем частицы карбида вольфрама и покрытые алмазные частицы имеют ориентировочно одну и ту же плотность. The filler rod may further include a plurality of tungsten carbide particles mixed with the coated diamond particles, the tungsten carbide particles and the coated diamond particles having approximately the same density.

Он также может дополнительно содержать частицы нитрида углерода, перемешанные с покрытыми алмазными частицам, а также множество частиц карбида вольфрама, перемешанных с покрытыми алмазными частицами; и сыпучий материал, выбранный из группы, которая включает в себя кобальт, никель, медь, вольфрам, карбид вольфрама и сплавы этих элементов. It may also further comprise carbon nitride particles mixed with coated diamond particles, as well as a plurality of tungsten carbide particles mixed with coated diamond particles; and bulk material selected from the group that includes cobalt, nickel, copper, tungsten, tungsten carbide and alloys of these elements.

Алмазные частицы могут содержать как синтетические, так и природные алмазы. Diamond particles can contain both synthetic and natural diamonds.

Еще одним аспектом изобретения является создание способа наплавки твердым сплавом поверхности подложки, характеризующегося тем, что включает в себя следующие операции:
покрытие коркой множества алмазных частиц за счет образования первичных металлургических связей между каждой алмазной частицей и соответствующим материалом наплавки для образования множества индивидуально покрытых коркой алмазных частиц;
спекание каждой покрытой коркой алмазной частицы для установления желательной плотности для каждой покрытой коркой алмазной частицы;
введение покрытых коркой алмазных частиц в полую стальную трубу и уплотнение стальной трубы на каждом из ее концов;
постепенное расплавление стальной трубы для образования расплавленного металла, имеющего диспергированные в нем покрытые коркой алмазные частицы; и
нанесение расплавленного металла и покрытых коркой алмазных частиц на поверхность подложки, кристаллизацию расплавленного металла в контакте с поверхностью подложки для образования вторичных металлургических связей между каждой покрытой коркой алмазной частицей и смежным участком матрицы и третичных металлургических связей между участком матрицы и подложкой.Another aspect of the invention is the creation of a method for hardfacing of a substrate surface, characterized in that it includes the following operations:
coating a plurality of diamond particles with a crust due to the formation of primary metallurgical bonds between each diamond particle and the corresponding surfacing material to form a plurality of individually crusted diamond particles;
sintering each crusty diamond particle to establish a desired density for each crusty diamond particle;
introducing crusty diamond particles into a hollow steel pipe and sealing the steel pipe at each of its ends;
gradually melting the steel pipe to form a molten metal having crusted diamond particles dispersed therein; and
applying molten metal and crusted diamond particles to the surface of the substrate, crystallizing the molten metal in contact with the surface of the substrate to form secondary metallurgical bonds between each crusted diamond particle and an adjacent matrix portion and tertiary metallurgical bonds between the matrix portion and the substrate.

Дополнительно способ наплавки может включать в себя приготовление смеси спеченных покрытых коркой алмазных частиц и спеченных частиц карбида вольфрама; введение смеси в стальную трубу ранее ее уплотнения, а также перемешивание спеченных покрытых коркой алмазных частиц с сыпучим твердым материалом; введение смеси спеченных покрытых коркой алмазных частиц и сыпучего твердого материала в стальную трубу ранее ее уплотнения. Additionally, the surfacing method may include preparing a mixture of sintered, crusty diamond particles and sintered tungsten carbide particles; introducing the mixture into the steel pipe earlier than its compaction, as well as mixing the sintered crusty diamond particles with loose solid material; introducing a mixture of sintered crusty diamond particles and granular solid material into the steel pipe before its compaction.

Предусматривается также ввод в полую стальную трубу частиц нитрида углерода, перемешанных с покрытыми коркой алмазными частицами. Carbon nitride particles mixed with crusty diamond particles are also introduced into a hollow steel pipe.

Другой вариант способа наплавки твердым сплавом рабочей поверхности подложки характеризуется тем, что включает в себя следующие операции: покрытие коркой множества алмазных частиц за счет образования множества первичных металлургических связей между первым материалом наплавки и каждой соответствующей алмазной частицей для образования на ней слоя соответствующего твердого материала; спекание слоя первого твердого материала на каждой алмазной частице для установления желательной плотности для покрытых коркой алмазных частиц; перемешивание покрытых коркой алмазных частиц со вторым материалом наплавки; нагрев смеси покрытых коркой алмазных частиц со вторым материалом наплавки для образования расплавленного материала наплавки, имеющего диспергированные в нем покрытые коркой алмазные частицы; и нанесение смеси расплавленного материала наплавки и покрытых коркой алмазных частиц на рабочую поверхность, кристаллизацию расплавленного материала наплавки в контакте с рабочей поверхностью подложки для образования множества вторичных металлургических связей между вторым материалом наплавки и первым материалом наплавки, и множества третичных металлургических связей между вторым материалом наплавки и подложкой. Another variant of the method of hardfacing with a working surface of a substrate is characterized in that it includes the following operations: coating a plurality of diamond particles by forming a plurality of primary metallurgical bonds between the first surfacing material and each respective diamond particle to form a layer of a corresponding solid material on it; sintering a layer of the first solid material on each diamond particle to establish the desired density for the crusted diamond particles; mixing crusted diamond particles with a second surfacing material; heating a mixture of crusty diamond particles with a second surfacing material to form a molten surfacing material having crusty diamond particles dispersed therein; and applying a mixture of molten surfacing material and crust-coated diamond particles to the working surface, crystallizing the molten surfacing material in contact with the working surface of the substrate to form a plurality of secondary metallurgical bonds between the second surfacing material and the first surfacing material, and a plurality of tertiary metallurgical bonds between the second surfacing material and the substrate.

При этом первый материал наплавки и второй материал наплавки содержат один и тот же металлический сплав. In this case, the first surfacing material and the second surfacing material contain the same metal alloy.

Нагрев смеси покрытых коркой алмазных частиц со вторым твердым упрочняющим материалом осуществляют с использованием технологии, выбранной из группы, которая включает в себя технологию сварки с использованием трубчатого присадочного прутка, технологии плазменного напыления и газопламенного напыления, а также технологию с использованием жидкого стекла. The mixture of crusted diamond particles with a second solid reinforcing material is heated using a technology selected from the group that includes welding technology using a tubular filler rod, plasma spraying and flame spraying, and liquid glass technology.

Еще одним аспектом изобретения является коническое шарошечное долото для вращательного бурения, имеющее по меньшей мере один венец фрезерованных зубьев, у которого каждый зуб имеет слой наплавки твердым сплавом на каждой поверхности зуба, причем наплавка твердым сплавом включает в себя множество покрытых алмазных частиц, диспергированных в покрытие металлической матрицы и связанных с ней. Another aspect of the invention is a conical roller bit for rotary drilling, having at least one crown of milled teeth, in which each tooth has a hardfacing layer on each tooth surface, and hardfacing includes many coated diamond particles dispersed into the coating metal matrix and related.

Покрытые алмазные частицы могут быть перемешаны с частицами карбида вольфрама. Coated diamond particles can be mixed with tungsten carbide particles.

Слой материала наплавки твердым сплавом содержит от 1 до 75 весовых процентов покрытых алмазных частиц, а слой наплавки твердым сплавом может содержать до 74 весовых процентов частиц карбида вольфрама. The hardfacing layer contains from 1 to 75 weight percent of the coated diamond particles, and the hardfacing layer may contain up to 74 weight percent of tungsten carbide particles.

Другой вариант конического шарошечного долота для вращательного бурения характеризуется тем, что включает в себя корпус долота, имеющий верхний краевой участок, приспособленный для соединения с буровой колонной для вращения корпуса долота; несколько опорных рычагов, выступающих из корпуса долота; несколько блоков конических шарошек, число которых равно числу опорных рычагов, установленных с возможностью вращения на соответствующих опорных рычагах, выступающих главным образом в направлении вниз и внутрь относительно опорного рычага; слой наплавки твердым сплавом, образованный на внешней поверхности каждого опорного рычага; причем наплавка твердым сплавом содержит множество покрытых алмазных частиц, диспергированных в покрытии металлической матрицы. Another embodiment of a conical cone bit for rotary drilling is characterized in that it includes a bit body having an upper edge portion adapted to be connected to the drill string to rotate the bit body; several supporting levers protruding from the body of the bit; several blocks of conical cones, the number of which is equal to the number of support arms mounted rotatably on the respective support arms, protruding mainly in the downward and inward direction relative to the support arm; a hardfacing layer formed on the outer surface of each support arm; moreover, hardfacing contains many coated diamond particles dispersed in the coating of the metal matrix.

Внешняя поверхность каждого опорного рычага дополнительно имеет нижний затылочный участок; причем на указанном нижнем затылочном участке образован слой наплавки твердым сплавом. The outer surface of each support arm further has a lower occipital region; moreover, on the specified lower occipital region, a hardfacing layer is formed.

Еще один вариант конического шарошечного долота для вращательного бурения включает в себя корпус долота, имеющий верхний краевой участок, приспособленный для соединения с буровой колонной для вращения относительно продольной оси корпуса долота; несколько смещенных под углом опорных рычагов, образованных в виде единого целого с корпусом долота и свисающих из него, причем каждый из опорных рычагов имеет соединенный с ним шпиндель; конические шарошки, число которых равно числу опорных рычагов, при этом каждая коническая шарошка установлена соответственно на одном из соответствующих шпинделей; слой наплавки твердым сплавом, образованный на одном из участков опорных рычагов и конических шарошек; при этом слой наплавки твердым сплавом включает в себя множество покрытых алмазных частиц, размещенных в покрытии металлической матрицы и металлургически связанных с ним. Another embodiment of a conical cone bit for rotary drilling includes a bit body having an upper edge portion adapted to be connected to the drill string for rotation relative to the longitudinal axis of the bit body; several angularly displaced support arms formed as a single unit and hanging from the body of the bit, each of the support arms having a spindle connected to it; conical cones, the number of which is equal to the number of supporting levers, with each conical cone mounted respectively on one of the corresponding spindles; a hardfacing layer formed on one of the sections of the support arms and conical cones; wherein the hardfacing layer includes a plurality of coated diamond particles placed in the coating of the metal matrix and metallurgically bonded to it.

Еще один вариант конического шарошечного долота для вращательного бурения включает в себя главным образом конический корпус шарошки, слой наплавки твердым сплавом, нанесенный на внешний участок корпуса шарошки; при этом слой наплавки твердым сплавом имеет множество покрытых алмазных частиц, расположенных в покрытии металлической матрицы и металлургически связанных с ним; причем каждая покрытая алмазная частица содержит собственно алмазную частицу с покрытием из твердого материала, нанесенным на внешней части алмазной частицы; при этом множество металлургических связей образовано между внешней поверхностью каждой алмазной частицы и соответствующим покрытием из твердого материала; причем множество металлургических связей образовано между покрытием металлической матрицы и поверхностью внешнего участка основания и внешней частью кромки. Another embodiment of the conical cone bit for rotary drilling includes mainly the cone cone of the cone, the hardfacing layer deposited on the outer portion of the cone cone; in this case, the hardfacing layer has many coated diamond particles located in the coating of the metal matrix and metallurgically associated with it; moreover, each coated diamond particle contains the actual diamond particle coated with a solid material deposited on the outer part of the diamond particle; however, many metallurgical bonds are formed between the outer surface of each diamond particle and the corresponding coating of solid material; moreover, many metallurgical bonds are formed between the coating of the metal matrix and the surface of the outer base portion and the outer edge.

Объектом настоящего изобретения является также коническая шарошка, которая включает в себя главным образом конический металлический корпус, имеющий слой наплавки твердым сплавом с множеством покрытых алмазных частиц, диспергированных в покрытии металлической матрицы и металлургически связанных с ним. The object of the present invention is also a conical roller cutter, which mainly includes a conical metal body having a hard-alloy hardfacing layer with many coated diamond particles dispersed in the coating of the metal matrix and metallurgically bonded to it.

На фиг. 1 схематично показано увеличенное сечение покрытой алмазной частицы, расположенной в металлической матрице покрытия и связанной с ней в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения. In FIG. 1 schematically shows an enlarged section of a coated diamond particle disposed in and associated with a metal coating matrix in accordance with a first embodiment of the present invention.

На фиг. 2 схематично показано сечение покрытых алмазных частиц, диспергированных в металлической матрице покрытия и связанных с ней, с образованием наплавки на подложке в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения. In FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of coated diamond particles dispersed in and associated with a coating metal matrix to form a deposit on a substrate in accordance with a first embodiment of the present invention.

На фиг. 3A и 3B схематично приведены вертикальная проекция и сечение участка полого присадочного прутка с наполнителем, который содержит покрытые алмазные частицы и другие твердые материалы, введенные в него в соответствии с настоящим изобретением. In FIG. 3A and 3B schematically show a vertical projection and section of a portion of a hollow filler rod with a filler that contains coated diamond particles and other solid materials introduced into it in accordance with the present invention.

На фиг. 4 схематично показаны вертикальная проекция и сечение бурового долота с наплавкой в соответствии с настоящим изобретением. In FIG. 4 schematically shows a vertical projection and section of a surfaced drill bit in accordance with the present invention.

На фиг. 5 приведен вид в изометрии, на котором показан другой тип бурового долота с наплавкой в соответствии с настоящим изобретением. In FIG. 5 is an isometric view showing another type of surfaced drill bit in accordance with the present invention.

На фиг. 6 приведен вид, частично в сечении и частично в вертикальной проекции, блока конусной шарошки и несущего рычага конусной шарошки фиг. 5, имеющей слои наплавки в соответствии с настоящим изобретением. In FIG. 6 is a view, partially in cross section and partially in vertical projection, of a cone cone block and a cone cone support arm of FIG. 5 having surfacing layers in accordance with the present invention.

На фиг. 7 приведен вид, частично в сечении и частично в вертикальной проекции, блока конусной шарошки и несущего рычага конусной шарошки фиг. 6, имеющей дополнительные слои наплавки в соответствии с настоящим изобретением. In FIG. 7 is a view, partially in cross-section and partially in vertical projection, of a cone cone block and a cone cone support arm of FIG. 6, having additional layers of surfacing in accordance with the present invention.

На фиг. 8 схематично показан вид в изометрии конусной шарошки, имеющей фрезерованные зубья со слоями наплавки в соответствии с настоящим изобретением. In FIG. 8 is a schematic isometric view of a cone having milled teeth with surfacing layers in accordance with the present invention.

На фиг. 9 приведен вид с увеличением, частично в сечении и частично в вертикальной проекции, несущего рычага и блока конусной шарошки с фрезерованными зубьями, имеющими слои наплавки в соответствии с настоящим изобретением. In FIG. 9 is an enlarged view, partially in cross-section and partially in vertical projection, of a bearing arm and a cone block with milled teeth having surfacing layers in accordance with the present invention.

На фиг. 10 приведен вид в изометрии, на котором показан фрезерованный зуб со слоем наплавки в соответствии с настоящим изобретением. In FIG. 10 is an isometric view showing a milled tooth with a surfacing layer in accordance with the present invention.

Преимущественные варианты осуществления настоящего изобретения и его преимущества лучше всего могут быть поняты при рассмотрении фиг. 1-10, где одинаковыми позициями показаны одинаковые или аналогичные элементы. Advantageous embodiments of the present invention and its advantages can best be understood by referring to FIG. 1-10, where the same position shows the same or similar elements.

В связи с тем что обработка износостойкого материала является трудоемкой и дорогой, то общеизвестной практикой является формование металлических деталей известной конфигурации с последующей обработкой поверхности за счет прямого упрочнения (с науглероживанием и азотированием) детали или за счет нанесения слоя (за счет наплавки) износостойкого материала на поверхность в зависимости от желательного уровня износостойкости. Для тех условий работы, в которых требуется чрезвычайно высокая износостойкость поверхности металлической детали или подложки, может быть произведена наплавка металлической матрицы покрытия 20, имеющей слой твердого износостойкого материала, образованного в соответствии с настоящим изобретением, на рабочую поверхность 22 для защиты подлежащей подложки 24. Due to the fact that the processing of wear-resistant material is time-consuming and expensive, it is well-known practice to form metal parts of known configuration with subsequent surface treatment due to direct hardening (with carburization and nitriding) of the part or by applying a layer (due to surfacing) of wear-resistant material on surface depending on the desired level of wear resistance. For those operating conditions that require extremely high wear resistance of the surface of a metal part or substrate, a metal coating matrix 20 having a layer of hard wear-resistant material formed in accordance with the present invention can be surfaced on the work surface 22 to protect the underlying substrate 24.

Подложка 24 может быть изготовлена из самых различных сплавов металлов, имеющих желательные металлургические характеристики, такие как обрабатываемость, удельная вязкость, возможность термообработки и коррозионная стойкость. Например, подложка 24 может быть изготовлена из различных стальных сплавов, если в дальнейшем нужно будет изготавливать буровые долота 80, 120 и 160, показанные на фиг. 4, 5 и 8. The substrate 24 can be made of a wide variety of metal alloys having the desired metallurgical characteristics, such as machinability, specific viscosity, heat treatment and corrosion resistance. For example, the substrate 24 may be made of various steel alloys if it is subsequently necessary to produce the drill bits 80, 120 and 160 shown in FIG. 4, 5 and 8.

Как это обсуждается далее более подробно, металлическая матрица покрытия или наплавка 20 может содержать широкое разнообразие твердых материалов и твердых частиц плюс покрытые алмазные частицы или алмазные шарики 40. Использование твердых материалов и/или твердых частиц для образования металлической матрицы покрытия 20 позволяет создать слой износостойкого материала даже и без добавки покрытых алмазных частиц 40. Однако в соответствии с настоящим изобретением предусмотрено использование покрытых алмазных частиц 40, в результате чего существенно повышается износостойкость и абразивная стойкость металлической матрицы покрытия 20 по сравнению с известной ранее технологией наплавки. As discussed in more detail below, the metal coating matrix or overlay 20 may contain a wide variety of solid materials and solid particles plus coated diamond particles or diamond balls 40. Using solid materials and / or solid particles to form the metal coating matrix 20 allows a layer of wear-resistant material to be created. even without the addition of coated diamond particles 40. However, in accordance with the present invention, the use of coated diamond particles 40 is provided, as a result of which The wear resistance and abrasion resistance of the metal matrix of the coating 20 significantly increase in comparison with the previously known surfacing technology.

Показанная на фиг. 1 и 2 металлическая матрица покрытия 20 содержит множество частиц карбида 30 и покрытые алмазные частицы 40, встроенные или капсулированные в участок матрицы 26. Участок матрицы 26 может быть образован из различных материалов, в том числе может содержать кобальт, медь, никель, железо и сплавы этих элементов. Иногда участок матрицы 26 именуют также матрицей связки 26. Shown in FIG. 1 and 2, the metal matrix of the coating 20 contains a plurality of carbide particles 30 and coated diamond particles 40 embedded or encapsulated in the portion of the matrix 26. The portion of the matrix 26 may be formed from various materials, including may contain cobalt, copper, nickel, iron and alloys of these elements. Sometimes a portion of the matrix 26 is also called the matrix of the ligament 26.

В соответствии с настоящим изобретением термин "металлическая матрица покрытия" используется для обозначения слоя наплавки твердым сплавом, который наносят на металлическую подложку для защиты подложки от абразивного истирания и/или износа. Различные связки, такие как кобальт, медь, никель, железо и сплавы этих элементов, могут быть использованы для образования участка матрицы или матрицы связки покрытия. В соответствии с настоящим изобретением различные сплавы металлов и керметы, такие как бориды металлов, карбиды металлов, оксиды металлов и нитриды металлов, могут быть использованы как часть металлической матрицы покрытия. Некоторые из наиболее подходящих сплавов металлов и керметов будут обсуждаться далее более подробно. In accordance with the present invention, the term “metal coating matrix” is used to refer to a hard alloy overlay layer that is applied to a metal substrate to protect the substrate from abrasion and / or wear. Various ligaments, such as cobalt, copper, nickel, iron, and alloys of these elements, can be used to form a portion of the matrix or matrix of the coating ligament. In accordance with the present invention, various metal alloys and cermets, such as metal borides, metal carbides, metal oxides and metal nitrides, can be used as part of a metal coating matrix. Some of the most suitable alloys of metals and cermets will be discussed below in more detail.

В соответствии с настоящим изобретением термины "химическая связь" и "металлургическая связь" используются для обозначения мощных сил притяжения, которые удерживают вместе атомы и/или молекулы в кристаллической или металлической структуре. In accordance with the present invention, the terms “chemical bond” and “metallurgical bond” are used to mean powerful attractive forces that hold together atoms and / or molecules in a crystalline or metallic structure.

В соответствии с настоящим изобретением термин "слой металлической матрицы" используется для обозначения слоя твердого материала, который был металлургически связан с внешней частью алмаза или алмазной частицы. Слой металлической матрицы преимущественно образуют из спекаемых материалов, которые содержат сплавы металлов и керметы, такие как бориды металлов, карбиды металлов, оксиды металлов и нитриды металлов. Некоторые из наиболее подходящих сплавов металлов и керметов, которые могут быть использованы для образования слоя металлической матрицы на алмазной частице в соответствии с настоящим изобретением, будут обсуждаться далее более подробно. In accordance with the present invention, the term “metal matrix layer” is used to mean a layer of solid material that has been metallurgically bonded to the outer part of a diamond or diamond particle. The metal matrix layer is mainly formed from sintered materials that contain metal alloys and cermets, such as metal borides, metal carbides, metal oxides and metal nitrides. Some of the most suitable alloys of metals and cermets that can be used to form a metal matrix layer on a diamond particle in accordance with the present invention will be discussed in more detail below.

В соответствии с настоящим изобретением термин "карбид вольфрама" включает в себя карбид моновольфрама (WC), карбид бивольфрама (W₂C) и макрокристаллический карбид вольфрама, а также цементированный или спеченный карбид вольфрама. Спеченный карбид вольфрама обычно изготавливают из смеси порошков карбида вольфрама и кобальта путем прессования смеси порошков с образованием неспеченной прессовки (сырца). Также могут быть использованы порошки различных сплавов кобальта. После этого неспеченную прессовку подвергают спеканию при температурах вблизи точки плавления кобальта для образования плотного спеченного карбида вольфрама.In accordance with the present invention, the term “tungsten carbide” includes monovolfram carbide (WC), bivungsten carbide (W ₂ C) and macrocrystalline tungsten carbide, as well as cemented or sintered tungsten carbide. Sintered tungsten carbide is usually made from a mixture of tungsten carbide and cobalt powders by pressing a mixture of powders to form an unsintered compact (raw). Powders of various cobalt alloys may also be used. After that, the green furnace is sintered at temperatures near the melting point of cobalt to form dense sintered tungsten carbide.

В зависимости от конкретного применения металлической матрицы покрытия 20 различные типы карбида вольфрама могут быть использованы для образования всей металлической матрицы покрытия или ее части 42 на алмазных частицах 44, частицах карбида вольфрама 30 и/или для образования участка 26 металлической матрицы покрытия 20. Важная характеристика настоящего изобретения заключается в возможности выбора типа твердого материала, который будет создавать желательную износостойкость и стойкость к абразивному износу (истиранию) эффективным, недорогим и надежным образом. Depending on the specific application of the metal coating matrix 20, various types of tungsten carbide can be used to form the entire metal coating matrix or part thereof 42 on diamond particles 44, tungsten carbide particles 30 and / or to form a portion 26 of the metal coating matrix 20. An important characteristic of the present The invention consists in the possibility of choosing the type of solid material, which will create the desired wear resistance and abrasion resistance (abrasion) effective, inexpensive m and reliable manner.

Каждая покрытая алмазная частица 40 содержит слой металлической матрицы 42, который был металлургически связан с внешней частью 46 соответствующей алмазной частицы 44. Покрытые алмазные частицы 40 иногда также называют алмазными шариками. Алмазная частица 44 может быть как синтетическим алмазом, так и природным алмазом. Кроме того, каждая алмазная частица 44 может быть целым алмазом или только частью алмаза. Для некоторых применений алмазные частицы 44 выбирают в диапазоне размеров от 60 до 80 меш. Each coated diamond particle 40 contains a layer of a metal matrix 42 that has been metallurgically bonded to the outer portion 46 of the corresponding diamond particle 44. The coated diamond particles 40 are sometimes also called diamond balls. The diamond particle 44 may be either a synthetic diamond or a natural diamond. In addition, each diamond particle 44 may be a whole diamond or only part of a diamond. For some applications, diamond particles 44 are selected in a size range from 60 to 80 mesh.

В зависимости от конкретного вида применения металлической матрицы покрытия или наплавки 20 каждая алмазная частица 44 может иметь размер в одном и том же диапазоне меш. Для других применений покрытые алмазные частицы 40 могут быть образованы из алмазных частиц 44, размеры которых лежат в двух или нескольких диапазонах меш. Результирующие покрытые алмазные частицы 40 будут преимущественно иметь приблизительно одинаковые внешние размеры. Однако за счет включения алмазных частиц 44 различных размеров износостойкость и абразивная стойкость результирующей металлической матрицы покрытия 20 может быть установлена в соответствии с конкретными рабочими условиями подложки 24. Покрытие алмазных частиц 44 может быть произведено с использованием различных технологий, таких как описанные в патенте США N 4770907 "Способ образования абразивных гранул из металла с покрытием" и в патенте США N 5405 573 "Алмазные шарики и сегменты пильных полотен, изготовленные из них". Depending on the specific application of the metal matrix coating or surfacing 20, each diamond particle 44 may have a size in the same mesh range. For other applications, coated diamond particles 40 may be formed from diamond particles 44, the sizes of which lie in two or more mesh ranges. The resulting coated diamond particles 40 will advantageously have approximately the same external dimensions. However, by incorporating diamond particles 44 of various sizes, the wear resistance and abrasion resistance of the resulting metal matrix of the coating 20 can be set in accordance with the specific operating conditions of the substrate 24. Diamond particles 44 can be coated using various technologies, such as those described in US Pat. No. 4,770,907. "Method of forming abrasive granules from coated metal" and in US patent N 5405 573 "Diamond balls and segments of saw blades made from them."

Твердый материал, использованный для образования слоя металлической матрицы 42, и толщина этого слоя могут изменяться в зависимости от конкретного применения металлической матрицы покрытия 20. Слой 42 преимущественно образован из материала, который может быть спечен для создания относительно плотного слоя, который полностью капсулирует соответствующие алмазные частицы 44. Если слой 42 не нанесен, то алмазные частицы 44 могут быть повреждены за счет воздействия температур, которые требуются для осуществления различных технологий наплавки для связи участка матрицы 26 с поверхностью 22 подложки 24. Капсулирование или плакирование алмазных частиц 44 при помощи слоя 42 защищает соответствующие алмазные частицы 44 от воздействия теплоты, связанной с выбранными процедурами наплавки. Кроме того, при отсутствии слоя 42 алмазные частицы 44 имеют тенденцию к всплыванию на поверхность расплавленных сварочных материалов. The solid material used to form the metal matrix layer 42 and the thickness of this layer may vary depending on the particular application of the metal matrix coating 20. Layer 42 is predominantly formed from material that can be sintered to create a relatively dense layer that completely encapsulates the corresponding diamond particles 44. If the layer 42 is not applied, then the diamond particles 44 can be damaged due to the effects of temperatures that are required for the implementation of various surfacing technologies for I connection portion 26 of the matrix with the substrate surface 22 or 24. Encapsulation plating of the diamond particles 44 by a layer 42 protects the respective diamond particles 44 from exposure to heat associated with the selected welding procedures. In addition, in the absence of layer 42, diamond particles 44 tend to float to the surface of the molten welding consumables.

Слой 42 преимущественно спекают после его нанесения на соответствующие алмазные частицы 44. Процесс спекания используют для образования покрытых алмазных частиц 40, имеющих плотность выше или равную плотности участка матрицы 26 в его расплавленном состоянии. Таким образом, за счет этого покрытые алмазные частицы 40 будут однородно диспергированы внутри металлической матрицы покрытия 20 или же будут опускаться (осаждаться) на дно и контактную поверхность 22 подложки 24 в зависимости от плотности, установленной за счет процесса спекания. Layer 42 is predominantly sintered after being applied to the respective diamond particles 44. The sintering process is used to form coated diamond particles 40 having a density greater than or equal to the density of the portion of matrix 26 in its molten state. Thus, due to this, the coated diamond particles 40 will be uniformly dispersed inside the metal matrix of the coating 20, or they will sink (precipitate) onto the bottom and contact surface 22 of the substrate 24 depending on the density established by the sintering process.

Материал, использованный для образования слоя металлической матрицы 42, должен быть металлургически и химически совместим с материалом, использованным для образования участка матрицы 26. Во многих применениях используют один и тот же материал для образования слоя 42 и для образования участка матрицы 26. The material used to form the layer of the metal matrix 42 must be metallurgically and chemically compatible with the material used to form the portion of the matrix 26. In many applications, the same material is used to form the layer 42 and to form the portion of the matrix 26.

Преимущественно образуют металлургические связи между внешней частью 48 каждого слоя металлической матрицы 42 и участком матрицы 26. В результате воздействия металлургической или химической связи покрытые алмазные частицы 40 остаются фиксированными внутри металлической матрицы покрытия 20 до тех пор, пока не произойдет износ твердых материалов участка матрицы 26. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предлагается надежная фиксация каждой алмазной частицы 44 внутри металлической матрицы покрытия 20. Preferably, metallurgical bonds are formed between the outer part 48 of each layer of the metal matrix 42 and the matrix portion 26. As a result of the metallurgical or chemical bonding, the coated diamond particles 40 remain fixed inside the metal matrix of the coating 20 until the hard materials of the matrix portion 26 wear out. Thus, in accordance with the present invention, a reliable fixation of each diamond particle 44 within the metal matrix of the coating 20 is provided.

Металлическая матрица покрытия 20 может быть образована на рабочей поверхности 22 подложки 24 и связана с ней за счет применения различных технологий обычной наплавки карбида вольфрама. В результате применения настоящего изобретения покрытые алмазные частицы 40 могут быть введены в самые разнообразные материалы наплавки без использования каких-либо специальных технологий или процедур. The metal matrix of the coating 20 can be formed on the working surface 22 of the substrate 24 and associated with it through the use of various technologies of conventional surfacing of tungsten carbide. As a result of the application of the present invention, coated diamond particles 40 can be incorporated into a wide variety of surfacing materials without the use of any special technologies or procedures.

При многих применениях металлическая матрица покрытия 20 может быть преимущественно нанесена за счет технологии сварки, объединенной с обычной наплавкой. В ходе процесса сварки поверхность 22 подложки 24 нагревают так, чтобы расплавить участки подложки 24 и образовать металлургические связи между участком матрицы 26 и подложкой 24. На фиг. 1 и 2 показана поверхность 22, имеющая различную конфигурацию и ширину, чтобы отразить результаты процесса сварки и результирующую металлургическую связь. В ходе процесса сварки участки слоя металлической матрицы 42 на одной или нескольких алмазных частицах 40 могут быть также металлургически связаны с подложкой 24 у поверхности 22. In many applications, the metal coating matrix 20 can be advantageously deposited by welding technology combined with conventional surfacing. During the welding process, the surface 22 of the substrate 24 is heated so as to melt the portions of the substrate 24 and form metallurgical bonds between the portion of the matrix 26 and the substrate 24. In FIG. 1 and 2 show a surface 22 having a different configuration and width to reflect the results of the welding process and the resulting metallurgical bond. During the welding process, portions of the layer of the metal matrix 42 on one or more diamond particles 40 can also be metallurgically bonded to the substrate 24 at surface 22.

Сварка с трубчатым присадочным прутком с использованием ацетиленокислородной горелки (не показана) может быть удовлетворительно использована для образования металлургических связей между металлической матрицей покрытия 20 и подложкой 24 и для образования металлургических связей между участком матрицы 26 и слоем 42. При других применениях технология лазерной сварки может быть использована для образования металлической матрицы покрытия 20 на подложке 24. Как технология сварки с трубчатым присадочным прутком, так и технология лазерной сварки будут описаны далее более подробно. Welding with a filler tube using an acetylene-oxygen torch (not shown) can be satisfactorily used for the formation of metallurgical bonds between the metal matrix of the coating 20 and the substrate 24 and for the formation of metallurgical bonds between the portion of the matrix 26 and the layer 42. In other applications, laser welding technology can be used to form the metal matrix of coating 20 on the substrate 24. Both the technology of welding with a tubular filler rod and the technology of laser welding and will be described hereinafter in more detail.

В некоторых менее тяжелых применениях для образования металлической матрицы покрытия 20 на подложке 24 может быть использована технология плазменного напыления и/или газопламенного напыления, которые объединены с наплавкой карбида вольфрама или с другими видами наплавки. За счет технологии плазменного напыления обычно образуется механическая связь между наплавленным материалом и подложкой. За счет технологии газопламенного напыления также обычно образуется механическая связь между наплавленным материалом и подложкой. При некоторых применениях комбинация технологий плазменного напыления и газопламенного напыления позволяет образовать металлургическую связь между металлической матрицей покрытия 20 и подложкой 24. Как правило, технологии наплавки, которые позволяют получить металлургическую связь, являются более предпочтительными в сравнении с технологиями, которые позволяют получить только механическую связь между металлической матрицей покрытия 20 и подложкой 24. In some less severe applications, plasma spraying and / or flame spraying techniques, which are combined with tungsten carbide surfacing or with other types of surfacing, can be used to form the metal matrix of the coating 20 on the substrate 24. Due to plasma spraying technology, a mechanical bond is usually formed between the deposited material and the substrate. Due to the technology of flame spraying, a mechanical bond is also usually formed between the deposited material and the substrate. In some applications, the combination of plasma spraying and flame spraying technologies allows the formation of a metallurgical bond between the metal matrix of the coating 20 and the substrate 24. As a rule, surfacing technologies that allow to obtain a metallurgical bond are more preferable in comparison with technologies that allow only a mechanical bond between the metal matrix of the coating 20 and the substrate 24.

В некоторых других применениях покрытые алмазные частицы 40 могут быть наклеены или присоединены к поверхности 22 подложки 24 с использованием жидкого стекла. В таком случае различные виды наплавляемых материалов в виде порошка могут быть нанесены на покрытые алмазные частицы 44 для создания участка 26 металлической матрицы покрытия 20. За счет спекания покрытых алмазных частиц 40 с получением желательной плотности металлическая матрица покрытия 20 может быть образована при помощи любой технологии, подходящей для нанесения наплавленного материала на подложку 24, причем покрытые алмазные частицы 40 будут диспергированы по всему объему результирующей металлической матрицы покрытия 20. In some other applications, coated diamond particles 40 may be glued or attached to surface 22 of substrate 24 using liquid glass. In this case, various types of deposited materials in powder form can be deposited on the coated diamond particles 44 to create a portion 26 of the metal matrix of the coating 20. By sintering the coated diamond particles 40 to obtain the desired density, the metal matrix of the coating 20 can be formed using any technology, suitable for applying the deposited material to the substrate 24, and the coated diamond particles 40 will be dispersed throughout the volume of the resulting metal matrix of the coating 20.

Покрытые алмазные частицы 40 обеспечивают очень высокий уровень износостойкости и абразивной стойкости подлежащей подложки 24. Так как окружающий участок матрицы 26 подвергается износу и абразивному истиранию, то открываются (выходят) на поверхность как частицы карбида вольфрама 30, так и покрытые алмазные частицы 40. Присущая вновь открывшимся частицам карбида вольфрама 30 и/или покрытым алмазным частицам 40 высокая износостойкость существенно увеличивает общую износостойкость и стойкость к абразивному истиранию металлической матрицы покрытия 20. Преимущественно покрытые алмазные частицы 40 имеют как металлургическую, так и механическую связь с участком матрицы 26. Без предусмотрения слоя металлической матрицы 42 только относительно слабые механические связи были бы образованы между участком матрицы 26 и алмазными частицами 44. Coated diamond particles 40 provide a very high level of wear and abrasion resistance of the underlying substrate 24. Since the surrounding area of the matrix 26 undergoes wear and abrasion, both tungsten carbide particles 30 and coated diamond particles 40 open to the surface. Inherent again the opened tungsten carbide particles 30 and / or coated with diamond particles 40 high wear resistance significantly increases the overall wear resistance and abrasion resistance of the metal matrix fishes 20. Mostly coated diamond particles 40 have both metallurgical and mechanical bonds with the matrix portion 26. Without providing a layer of the metal matrix 42, only relatively weak mechanical bonds would be formed between the matrix portion 26 and the diamond particles 44.

Отношение перемешанных в металлической матрице покрытия 20 покрытых алмазных частиц 40 к частицам карбида вольфрама 30 может варьировать для обеспечения желательного уровня износостойкости и стойкости к абразивному истиранию подложки 24 в зависимости от предполагаемых рабочих условий. Для некоторых чрезвычайно тяжелых условий эксплуатации отношение покрытых алмазных частиц 40 к частицам карбида вольфрама 30 может быть 10:1. В других условиях эксплуатации это отношение главным образом может быть инверсным. Важным преимуществом настоящего изобретения является возможность изменения объема покрытых алмазных частиц 40 в зависимости от ожидаемых условий эксплуатации. The ratio of the coated diamond particles 40 mixed in the metal matrix of the coating 20 to the tungsten carbide particles 30 can be varied to provide the desired level of wear resistance and abrasion resistance of the substrate 24 depending on the intended operating conditions. For some extremely difficult operating conditions, the ratio of coated diamond particles 40 to tungsten carbide particles 30 may be 10: 1. In other operating conditions, this ratio can mainly be inverse. An important advantage of the present invention is the ability to change the volume of coated diamond particles 40 depending on the expected operating conditions.

Присадочный пруток 70, образованный в соответствии с настоящим изобретением для наплавки на подложку 24 с целью защиты поверхности 22 от износа и абразивного истирания, показан на фиг. 3A и 3B. Присадочный пруток 70 преимущественно содержит полую стальную трубку 72, которая закрыта с обоих концов и содержит внутри наполнитель 74. Как часть наполнителя 74 внутри стальной трубки 72 использовано множество покрытых алмазных частиц 40. Каждая из покрытых алмазных частиц 40 содержит алмазную частицу 44, связанную со слоем металлической матрицы 42. Внутри наполнителя 74 с покрытыми алмазными частицами 40 могут быть перемешаны частицы карбида вольфрама 30. Для некоторых применений наполнитель 74 может содержать раскислитель и временную полимерную связку. В качестве примеров раскислителей, которые подходят для использования в соответствии с настоящим изобретением, можно указать различные сплавы железа, марганца и кремния. A filler bar 70 formed in accordance with the present invention for surfacing on a substrate 24 to protect surface 22 from wear and abrasion is shown in FIG. 3A and 3B. The filler rod 70 advantageously comprises a hollow steel tube 72, which is closed at both ends and contains a filler 74 inside. As part of the filler 74, a plurality of coated diamond particles 40 are used inside the steel pipe 72. Each of the coated diamond particles 40 contains a diamond particle 44 associated with the layer metal matrix 42. Inside the filler 74 with coated diamond particles 40, tungsten carbide particles 30 can be mixed. For some applications, filler 74 may contain a deoxidizer and a temporary polymer th bunch. As examples of deoxidizers that are suitable for use in accordance with the present invention, various alloys of iron, manganese and silicon can be mentioned.

Для некоторых применений вес наполнителя 74 может составлять от 70 до 80 процентов от полного веса присадочного прутка, причем вес стальной трубки составляет от 20 до 30 процентов полного веса присадочного прутка. Наполнитель 74 внутри стальной трубки 72 содержит множество покрытых алмазных частиц 40 и частиц карбида вольфрама 30. Для некоторых применений до 5 процентов наполнителя 74 образуют раскислители и временные полимерные связки. For some applications, the weight of the filler 74 may be from 70 to 80 percent of the total weight of the filler bar, and the weight of the steel tube is from 20 to 30 percent of the total weight of the filler bar. The filler 74 within the steel tube 72 contains a plurality of coated diamond particles 40 and tungsten carbide particles 30. For some applications, up to 5 percent of the filler 74 form deoxidizers and temporary polymer bonds.

Частью наполнителя 74 являются сыпучие материалы, такие как порошки твердых материалов, выбранных из группы, которая включает в себя вольфрам, ниобий, ванадий, молибден, кремний, титан, тантал, цирконий, хром, иттрий, бор и углерод. Сыпучий материал может также содержать смесь порошков, выбранных из группы, которая включает в себя медь, никель, железо, кобальт и сплавы этих элементов, причем эта смесь использована для образования участка 26 металлической матрицы покрытия 20. В наполнитель 74 могут быть также введены порошки твердых материалов, такие как керметы, выбранные из группы, которая включает в себя бориды металлов, карбиды металлов, оксиды металлов и нитриды металлов. Конкретный состав наполнителя 74 зависит от ожидаемого вида применения металлической матрицы покрытия 20 и от выбранной технологии сварки. Part of the filler 74 are bulk materials, such as powders of solid materials selected from the group that includes tungsten, niobium, vanadium, molybdenum, silicon, titanium, tantalum, zirconium, chromium, yttrium, boron and carbon. The bulk material may also contain a mixture of powders selected from the group that includes copper, nickel, iron, cobalt and alloys of these elements, this mixture being used to form a portion 26 of the metal matrix of the coating 20. Solid powders may also be introduced into the filler 74. materials, such as cermets, selected from the group which includes metal borides, metal carbides, metal oxides and metal nitrides. The specific composition of the filler 74 depends on the expected use of the metal coating matrix 20 and on the selected welding technology.

Для некоторых применений смесь покрытых алмазных частиц 40, частиц карбида вольфрама 30 и выбранного материала участка матрицы 26 может быть перемешана с органическим полимером и напылена на поверхность 22 подложки 24. После этого лазер может быть использован для уплотнения и расплавления порошковой смеси на поверхности 22 подложки 24 для образования желательных металлургических связей, как это упоминалось ранее. За счет спекания слоя металлической матрицы 42 с обеспечением желательной плотности достигается диспергирование покрытых алмазных частиц 40 в объеме металлической матрицы покрытия 20. В патенте США N 4 781770 "Процесс лазерной наплавки конусных буровых долот с твердосплавными режущими пластинами" описан процесс, который подходит для использования в соответствии с настоящим изобретением. For some applications, a mixture of coated diamond particles 40, tungsten carbide particles 30, and selected matrix portion material 26 can be mixed with an organic polymer and sprayed onto the surface 22 of the substrate 24. After that, the laser can be used to densify and melt the powder mixture on the surface 22 of the substrate 24 to form the desired metallurgical bonds, as mentioned previously. By sintering the layer of the metal matrix 42 to provide the desired density, dispersion of the coated diamond particles 40 in the volume of the metal matrix of the coating 20 is achieved. US Pat. No. 4,781,770, “Laser-surfacing of taper drill bits with carbide cutting inserts,” describes a process that is suitable for use in in accordance with the present invention.

В зависимости от типа твердого материала, который использован для образования слоя металлической матрицы 42, могут быть использованы различные процессы и процедуры спекания для установления желательной плотности результирующих покрытых алмазных частиц 40. Кроме того, соотношение материалов, использованных для образования слоя металлической матрицы 42, может варьировать для обеспечения желательной плотности. Например, в том случае, когда слой металлической матрицы 42 образован из карбида вольфрама, то тогда процентное содержание вольфрама может быть увеличено для создания более плотного или тяжелого слоя 42. Альтернативно процентное содержание карбида может быть увеличено для создания более легкого или менее плотного слоя 42. Depending on the type of solid material that is used to form the metal matrix layer 42, various sintering processes and processes can be used to establish the desired density of the resulting coated diamond particles 40. In addition, the ratio of materials used to form the metal matrix layer 42 may vary to provide the desired density. For example, in the case where the layer of the metal matrix 42 is formed from tungsten carbide, then the percentage of tungsten can be increased to create a denser or heavier layer 42. Alternatively, the percentage of carbide can be increased to create a lighter or less dense layer 42.

В том случае, когда покрытые алмазные частицы 40 перемешаны с частицами карбида вольфрама 30, то преимущественно как частицы 40, так и частицы 30 имеют одинаковую плотность. Одним из технических преимуществ настоящего изобретения является возможность изменения плотности и материалов, объединенных со слоем металлической матрицы 42, для обеспечения совместимости с частицами карбида вольфрама 30 и/или с участком 26 металлической матрицы покрытия 20. Для некоторых применений покрытые алмазные частицы 40 спекают с использованием технологии изостатического горячего прессования при температурах около 1300^o F. Само собой разумеется, что тип спекания, в том числе давление и температура, могут варьировать в зависимости от материалов, выбранных для образования слоя металлической матрицы 42 и участка матрицы 26.In the case when the coated diamond particles 40 are mixed with particles of tungsten carbide 30, then mainly both particles 40 and particles 30 have the same density. One of the technical advantages of the present invention is the ability to change the density and materials combined with the layer of the metal matrix 42 to ensure compatibility with the tungsten carbide particles 30 and / or with the portion 26 of the metal matrix of the coating 20. For some applications, coated diamond particles 40 are sintered using technology isostatic hot pressing at temperatures of about 1300 ^o F. It goes without saying that the type of sintering, including pressure and temperature, can vary depending on t of materials selected to form a layer of a metal matrix 42 and a portion of the matrix 26.

Слой металлической матрицы 42 может быть нанесен на каждую из покрытых алмазных частиц 44 с использованием различных технологий, таких как гранулирование, химическое осаждение из газовой фазы, физическое осаждение из газовой фазы и/или химическое покрытие. Соответствующие процедуры нанесения покрытия зависят от материалов, использованных для образования слоя металлической матрицы 42, и выбираются так, чтобы обеспечить образование металлургической связи между внешней поверхностью 48 каждой из покрытых алмазных частиц 44 и результирующим слоем металлической матрицы 42. A layer of metal matrix 42 can be deposited on each of the coated diamond particles 44 using various technologies, such as granulation, chemical vapor deposition, physical vapor deposition and / or chemical coating. Appropriate coating procedures depend on the materials used to form the metal matrix layer 42 and are selected so as to provide a metallurgical bond between the outer surface 48 of each of the coated diamond particles 44 and the resulting layer of the metal matrix 42.

Кроме использования в виде присадочного прутка 70, покрытые алмазные частицы 40, частицы карбида вольфрама 30 и выбранные материалы участка матрицы 26 могут быть использованы в виде непрерывного сварочного прутка или сварочного троса (не показан). Кроме технологии сварки с использованием ацетиленокислородной горелки, для нанесения металлической матрицы покрытия 20 на поверхность 22 подложки 24 с успехом могут быть использованы технологии атомно-водородной сварки и дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG). In addition to being used in the form of a filler rod 70, coated diamond particles 40, tungsten carbide particles 30, and selected materials of the matrix portion 26 can be used as a continuous welding rod or welding cable (not shown). In addition to the welding technology using an acetylene-oxygen torch, technologies for atomic-hydrogen welding and arc welding with a tungsten electrode in an inert gas (TIG) can be successfully used for applying a metal coating matrix 20 to the surface 22 of the substrate 24.

Наплавка металлической матрицы покрытия 20 в соответствии с настоящим изобретением может быть использована для самых различных стальных деталей и подложек. Например, наплавка 20 может быть использована для конусных шарошек, для буровых долот с фиксированными ножами, для керновых буровых долот, для раздвижных буровых расширителей, для буровых расширителей и для блоков поглощения удара. Наплавка 20 в соответствии с настоящим изобретением может быть использована и для других инструментов в различных областях техники и не ограничивается случаем скважинных инструментов в нефтяной и газовой промышленности. На фиг. 4 -10 в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, показаны слои наплавленного материала 20, образованные в соответствии с настоящим изобретением на различных типах конусных шарошек и на объединенных с ними блоках конусных ножей. Surfacing the metal matrix of the coating 20 in accordance with the present invention can be used for a wide variety of steel parts and substrates. For example, surfacing 20 can be used for cone cutters, for fixed drill bits, for core drill bits, for sliding drill reamers, for drill reamers and for shock absorption blocks. Surfacing 20 in accordance with the present invention can be used for other tools in various fields of technology and is not limited to the case of downhole tools in the oil and gas industry. In FIG. 4-10, as an example, not having a restrictive character, the layers of the deposited material 20 are shown formed in accordance with the present invention on various types of cone cones and on cone knife blocks combined with them.

Режущее действие или буровое действие бурового долота 80, 120 и 160 получают в том случае, когда режущие конусные блоки 82, 122 и 162 катятся по дну скважины за счет вращения бурильной колонны. Режущие конусные блоки 82, 122 и 162 могут именоваться "конусными шарошками". Результирующий внутренний диаметр скважины установлен за счет комбинированного внешнего или калибрующего диаметра режущих конусных блоков 82, 122 и 162. Режущие конусные блоки 82, 122 и 162 закреплены в шпинделе при помощи обычной шариковой системы крепления, которая содержит множество шариков в обойме подшипника. The cutting action or drilling action of the drill bit 80, 120 and 160 is obtained when the cutting cone blocks 82, 122 and 162 roll along the bottom of the well due to the rotation of the drill string. Cutting cone blocks 82, 122 and 162 may be referred to as "cone cones." The resulting inner diameter of the borehole is set due to the combined external or calibrating diameter of the cutting cone blocks 82, 122 and 162. The cutting cone blocks 82, 122 and 162 are fixed in the spindle using a conventional ball mounting system, which contains many balls in the bearing race.

Конусные шарошки 80, 120 и 160 обычно изготавливают из прочного и пластичного стального сплава, имеющего высокую прочность, хорошую ударную вязкость и приемлемую обрабатываемость. Такие стальные сплавы не обеспечивают долговременную стабильность режущих поверхностей и режущих кромок соответствующих режущих конусных блоков 82, 122 и 162, так как такие стальные сплавы подвержены быстрому износу при скважинных операциях бурения. Для увеличения скважинного срока службы соответствующих конусных шарошек 80, 120 и 160, наплавка или металлическая матрица покрытия 20 может быть нанесена на затылочные поверхности, тыльные поверхности, фрезерованные зубья и/или режущие пластины (вставки), объединенные с соответствующими буровыми долотами. Металлическая матрица покрытия 20 может быть нанесена на любые другие участки буровых долот 80, 120 и 160, которые подвержены интенсивному износу и абразивному истиранию в ходе скважинных операций бурения. При некоторых применениях главным образом вся внешняя поверхность каждого режущего конусного блока 82, 122 и 162 может быть покрыта металлической матрицей покрытия 20. The cones 80, 120 and 160 are usually made of a strong and ductile steel alloy having high strength, good toughness and acceptable machinability. Such steel alloys do not provide long-term stability of the cutting surfaces and cutting edges of the respective cutting cone blocks 82, 122 and 162, since such steel alloys are subject to rapid wear during downhole drilling operations. To increase the borehole life of the corresponding conical cutters 80, 120 and 160, a surfacing or metal coating matrix 20 can be applied to the occipital surfaces, back surfaces, milled teeth and / or cutting inserts (inserts), combined with the corresponding drill bits. The metal matrix of the coating 20 can be applied to any other sections of the drill bits 80, 120 and 160, which are subject to intense wear and abrasion during downhole drilling operations. In some applications, mainly the entire outer surface of each cutting cone block 82, 122 and 162 may be coated with a metal coating matrix 20.

Буровое долото 80 содержит корпус долота 84, приспособленный для присоединения при помощи своего штырькового или резьбового соединения 86 к нижнему концу вращающейся бурильной колонны 88. Резьбовое соединение 86 и соответствующее резьбовое соединение бурильной колонны устроены таким образом, что допускают вращение бурового долота 80 при приведении во вращение бурильной колонны 88 на поверхности скважины (не показано). Корпус долота 84 содержит проход (не показан), который позволяет пропускать буровой раствор и прочее при бурении вниз через бурильную колонну. Буровой раствор выходит через сопло 92 и направляется к основанию скважины, а затем отводится наверх через каналы между стенкой скважины и бурильной колонной, унося с собой отходы бурения. The drill bit 80 comprises a drill bit body 84 adapted to be attached using its pin or threaded connection 86 to the lower end of the rotary drill string 88. The threaded connection 86 and the corresponding threaded connection of the drill string are designed so that they allow rotation of the drill bit 80 when brought into rotation drill string 88 on the surface of the well (not shown). The body of the bit 84 contains a passage (not shown) that allows drilling fluid and the like to pass through while drilling downward through the drill string. The drilling fluid exits through the nozzle 92 and is directed to the base of the well, and then diverted upward through the channels between the wall of the well and the drill string, taking away drilling waste.

От каждого корпуса долота 84 отходят три главным образом одинаковых рычага 94. На фиг. 4 показаны только два рычага 94. Нижний концевой участок каждого рычага 94 снабжен ведущим штифтом или шпинделем (не показан), который поддерживает с возможностью вращения главным образом конический режущий блок 82. Three substantially identical levers 94 extend from each body of the bit 84. In FIG. 4, only two levers 94 are shown. The lower end portion of each lever 94 is provided with a drive pin or spindle (not shown) that rotatably supports a substantially conical cutting unit 82.

Показанное на фиг. 5 буровое долото 120 содержит корпус долота 124, образованный несущими рычагами 134. Корпус долота 124 также имеет сопла 132. Резьбовое соединение 126 может быть использовано для присоединения бурового долота 120 к вращающейся бурильной колонне. Shown in FIG. 5, the drill bit 120 comprises a bit body 124 formed by support arms 134. The bit body 124 also has nozzles 132. A threaded joint 126 can be used to attach the drill bit 120 to a rotary drill string.

На фиг. 6 и 7 показаны блоки режущих конусов 122, которые установлены с возможностью вращения на шпинделе 136, выступающем из нижнего участка каждого несущего рычага 134. In FIG. 6 and 7 show blocks of cutting cones 122 which are rotatably mounted on a spindle 136 protruding from a lower portion of each support arm 134.

Как это показано на фиг. 5, 6 и 7, наплавка твердым сплавом 120 может быть произведена на внешней поверхности несущих рычагов 134, смежной с соответствующими блоками режущих конусов 122. Этот участок несущих рычагов 134 может быть также назван "затылочной поверхностью". Наплавка твердым сплавом 20 может быть также образована на тыльной поверхности или поверхности калибрующего кольца 126 каждого конусного режущего блока 122. Как это показано на фиг. 7, внешняя поверхность конусного режущего блока 122 может дополнительно иметь наплавку 20 везде, кроме режущих пластин 128. As shown in FIG. 5, 6 and 7, hardfacing 120 can be done on the outer surface of the support arms 134 adjacent to the respective blocks of the cutting cones 122. This portion of the support arms 134 may also be called the “occipital surface”. Hardfacing 20 may also be formed on the back surface or surface of the gage ring 126 of each cone cutting unit 122. As shown in FIG. 7, the outer surface of the cone cutting block 122 may further have a cladding 20 everywhere except for the cutting inserts 128.

Показанная на фиг. 8 конусная шарошка 160 аналогична показанной на фиг. 5 конусной шарошке 120. Принципиальное отличие конусной шарошки 160 от шарошки 120 заключается в том, что в режущих конусных блоках 122 используются режущие пластины (вставки) 128, а в режущих конусных блоках 162 используются фрезерованные зубья 164. Shown in FIG. 8, the cone 160 is similar to that shown in FIG. 5 cone cone 120. The fundamental difference between cone cone 160 and cone 120 is that the cutting cone blocks 122 use cutting inserts (inserts) 128, and the cutting cone blocks 162 use milled teeth 164.

Фрезерованные зубья 164 в каждом из режущих конусных блоков 162 стоят рядами вдоль наклонной поверхности каждого из соответствующих конусов 162. Ряд, ближайший к несущему рычагу каждого режущего конусного блока 162, именуется задним или калибрующим рядом. Как это показано на фиг. 9 и 10, в соответствии с настоящим изобретением металлическая матрица покрытия 20 преимущественно нанесена на внешнюю часть каждого фрезерованного зуба 164. Milled teeth 164 in each of the cutting cone blocks 162 stand in rows along the inclined surface of each of the corresponding cones 162. The row closest to the support arm of each cutting cone block 162 is referred to as the back or gauge row. As shown in FIG. 9 and 10, in accordance with the present invention, the metal matrix of the coating 20 is predominantly deposited on the outside of each milled tooth 164.

Несмотря на то что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения. Despite the fact that the preferred embodiment of the invention has been described, it is very clear that it will be modified and supplemented by those skilled in the art that do not, however, go beyond the scope of the following claims.

Claims

1. Hardfacing to protect the substrate from abrasion and wear, characterized in that it includes a metal coating matrix, which has a portion of the matrix and many coated diamond particles located on it, each of the coated diamond particles having a hard coating layer material located on the outer part of the corresponding diamond particles, with many primary metallurgical bonds formed between the outer part of each diamond particle and the corresponding layer of solid m material, while the coated diamond particles are encapsulated in a matrix region with many secondary metallurgical bonds formed between the corresponding layer of solid material on each diamond particle and the matrix region, and many strong metallurgical bonds formed between the matrix region and the substrate.

2. Surfacing according to claim 1, characterized in that it further includes a plurality of tungsten carbide particles encapsulated in a portion of the matrix, and tungsten carbide particles mixed with coated diamond particles.

3. Surfacing according to claim 1, characterized in that each diamond particle prior to coating has mainly the same size.

4. Surfacing according to claim 1, characterized in that the coated diamond particles have two different sizes before coating.

5. Surfacing according to claim 1, characterized in that the coated diamond particles have a density approximately equal to the density of the matrix portion of the metal matrix of the coating.

6. Surfacing according to claim 1, characterized in that the coated diamond particles have a density higher than the density of the matrix portion of the metal matrix of the coating.

7. Surfacing according to claim 1, characterized in that it further includes additional material mixed with many coated diamond particles, the additional material selected from the group consisting of carbides, nitrides, tungsten oxides, carbides, nitrides, carbon oxides and silicates of particles of niobium, vanadium, molybdenum, silicon, titanium, tantalum, yttrium, zirconium, chromium, boron, or a mixture thereof.

8. Surfacing according to claim 1, characterized in that the matrix portion contains a binder material selected from the group that contains alloys based on copper, nickel, iron and cobalt.

9. Surfacing according to claim 1, characterized in that it further includes a deposited coating on each diamond particle, partially formed by tungsten carbide, a plurality of tungsten carbide particles mixed with coated diamond particles, and a matrix portion formed by cobalt, steel and tungsten carbide.

10. Surfacing according to claim 1, characterized in that it contains particles of carbon nitride mixed with coated diamond particles.

11. Hardfacing to protect the substrate from abrasion and wear, characterized in that it includes a metal coating matrix, which has a portion of the matrix and a plurality of coated diamond particles disposed thereon, each of the coated diamond particles having a hard coating layer material located on the outer part of the corresponding diamond particles, with many primary metallurgical bonds formed between the outer part of each diamond particle and the corresponding layer of solid material, while the layer of solid material contains metal alloys and cermets selected from the group which includes metal borides, metal carbides, metal oxides and metal nitrides, wherein coated diamond particles are encapsulated in a matrix section with many secondary metallurgical bonds formed between the corresponding a layer of solid material on each diamond particle and a matrix portion, wherein the matrix portion has many tertiary metallurgical bonds formed between the matrix portion and the substrate .

12. Surfacing according to claim 11, characterized in that the coated diamond particles are bonded to the matrix portion both mechanically and by means of said tertiary metallurgical bonds.

13. Hardfacing to protect the substrate from abrasion and wear, characterized in that it includes a metal coating matrix, which has a portion of the matrix and many coated diamond particles located on it, each of the coated diamond particles having a hard coating layer material located on the outer part of the corresponding diamond particles, with many primary metallurgical bonds formed between the outer part of each diamond particle and the corresponding layer of solid material, and the coated diamond particles are encapsulated in a matrix section with many secondary, metallurgical bonds formed between the corresponding layer of solid material on each diamond particle and the matrix section, while the matrix section contains binder materials selected from the group consisting of cobalt, nickel , copper, iron and their alloys, wherein said matrix portion further comprises various alloys and cermets selected from the group which includes metal carbides, metal oxides and nitro ides of metals, wherein said coated diamond particles have a plurality of secondary metallurgical bonds formed between a corresponding layer of solid material on each diamond particle and a matrix portion, wherein said matrix portion has a plurality of tertiary metallurgical bonds formed between the matrix portion and the substrate.

14. Hardfacing to protect the substrate from abrasion and wear, characterized in that it includes a metal coating matrix, which has a portion of the matrix and many coated diamond particles located on it, each of the coated diamond particles having a hard coating layer material located on the outer part of the corresponding diamond particles, with many primary metallurgical bonds formed between the outer part of each diamond particle and the corresponding layer of solid material, wherein said solid material contains metal alloys and cermets selected from the group consisting of metal carbides, metal oxides and metal nitrides, the coated diamond particles being encapsulated in a matrix section with a plurality of secondary metallurgical bonds formed between the corresponding layer of solid material on each diamond particle and a matrix portion, wherein said matrix portion contains a binder material selected from the group that includes cobalt, nickel, copper, iron and their alloys, wherein said matrix portion further comprises various alloys and cermets selected from the group which includes metal carbides, metal oxides and metal nitrides, while coated diamond particles have many secondary metallurgical bonds formed between the corresponding layer of solid material on each diamond the particle and the matrix region, the matrix region having many tertiary metallurgical bonds formed between the matrix region and the substrate.

15. A filler rod for hardfacing a substrate to protect the substrate from abrasion and wear, characterized in that it includes a hollow steel tube that is closed at both ends, a plurality of coated diamond particles located inside the steel tube, each of which is coated diamond particles contains a diamond particle having a corresponding sintered layer of solid material, covering the diamond particle with a crust and having a metallurgical bond with it.

16. The filler rod according to clause 15, characterized in that it further includes many particles of tungsten carbide mixed with coated diamond particles, and the particles of tungsten carbide and coated diamond particles have approximately the same density.

17. The filler rod according to clause 15, characterized in that it further comprises carbon nitride particles mixed with coated diamond particles.

18. The filler rod according to clause 15, wherein the sintered layer on each diamond particle further comprises tungsten carbide.

19. The landing rod according to clause 15, characterized in that it further comprises a plurality of tungsten carbide particles mixed with coated diamond particles, and bulk material selected from the group which includes cobalt, nickel, copper, tungsten, tungsten carbide and alloys of these elements.

20. The landing bar according to clause 15, wherein the diamond particles contain synthetic diamonds.

21. The filler rod according to clause 15, wherein the diamond particles contain natural diamonds.

22. The method of hardfacing of the substrate surface, characterized in that it includes the following operations: coating a plurality of diamond particles by forming primary metallurgical bonds between each diamond particle and the corresponding surfacing material to form a plurality of individually coated crusted diamond particles, sintering each crusty diamond particles to establish the desired density for each crusty diamond particles, the introduction of crusty diamond particles into a hollow steel pipe and sealing a steel pipe at each of its ends, gradually melting the steel pipe to form a molten metal having crusted diamond particles dispersed therein, and depositing molten metal and crusted diamond particles on the surface of the substrate, crystallization of the molten metal in contact with a substrate surface for the formation of secondary metallurgical bonds between each crusty diamond particle and an adjacent portion of the matrix and tertiary metallurgists eskih bonds between the matrix portion and the substrate.

23. The method according to p. 22, characterized in that it further includes the following operations: preparing a mixture of sintered crusty diamond particles and sintered tungsten carbide particles and introducing the mixture into the steel pipe before its compaction.

24. The method according to p. 22, characterized in that it further includes the following operations: mixing the sintered crusty diamond particles with loose solid material and introducing a mixture of sintered crusty diamond particles and granular solid material into the steel pipe before its compaction.

25. The method according to p. 22, characterized in that it comprises the introduction into the hollow steel pipe of particles of carbon nitride mixed with crust-coated diamond particles.

26. A method of hardfacing with a working surface of a substrate, characterized in that it includes the following operations: coating a plurality of diamond particles by forming a plurality of primary metallurgical bonds between the first surfacing material and each respective diamond particle to form a layer of a corresponding solid material on it sintering a layer of the first solid material on each diamond particle to establish the desired density for the crusted diamond particles, mixing coated diamond particles with a second surfacing material, heating the mixture of coated diamond particles with a second surfacing material to form a molten surfacing material having the coated diamond particles dispersed therein, and applying a mixture of molten surfacing and coated diamond particles on a work surface, crystallization molten surfacing material in contact with the working surface of the substrate for the formation of many secondary metallurgical bonds between the second mat surfacing series and the first surfacing material, and many tertiary metallurgical bonds between the second surfacing material and the substrate.

27. The method according to p. 26, characterized in that the first surfacing material and the second surfacing material contain the same metal alloy.

28. The method according to p. 26, characterized in that the heating of the mixture of crusted diamond particles with a second solid reinforcing material is carried out using technology selected from the group that includes welding technology using a tubular filler rod, plasma spraying technology and flame spraying as well as technology using liquid glass.

29. Conical roller cone bit for rotary drilling, having at least one crown of milled teeth, characterized in that each tooth has a hardfacing layer on each tooth surface, and hardfacing includes many coated diamond particles dispersed in a metal coating matrix and related.

30. Conical roller cone bit for rotary drilling according to clause 29, characterized in that it further includes tungsten carbide particles mixed with coated diamond particles.

31. Conical roller cone bit for rotary drilling according to clause 29, wherein the density of each coated diamond particles is approximately equal to the density of the coating of the metal matrix.

32. Conical roller cone bit for rotary drilling according to clause 29, characterized in that the density of each coated diamond particles exceeds the density of the coating of the metal matrix.

33. Conical roller cone bit for rotary drilling according to clause 29, characterized in that the layer of hardfaced surfacing material contains from 1 to 75 wt.% Coated diamond particles.

34. Conical roller cone bit for rotary drilling according to clause 29, wherein the hardfacing layer contains up to 74 wt.% Particles of tungsten carbide.

35. A conical cone bit for rotary drilling, characterized in that it includes a bit body having an upper edge portion adapted to be connected to the drill string for rotation of the bit body, several support arms protruding from the bit body, several conical roller cones, the number of which is equal to the number of support arms mounted rotatably on the respective support arms, protruding mainly in the downward and inward direction relative to the support arm, avki carbide formed on the outer surface of each support arm, wherein the hardfacing comprises a plurality of coated diamond particles dispersed in the coating of the metal matrix.

36. The conical roller bit according to claim 35, characterized in that the outer surface of each support arm further has a lower occipital region, and a hard alloy hardfacing layer is formed on said lower occipital region.

37. Conical roller cone bit for rotary drilling, characterized in that it includes a casing of the bit having an upper edge portion adapted to be connected to the drill string for rotation relative to the longitudinal axis of the casing of the bit, slightly angled support arms formed as a single whole with the body of the bit and hanging from it, each of the support arms having a spindle connected to it, conical cones, the number of which is equal to the number of support arms, each conical ball the bezel is mounted respectively on one of the corresponding spindles, the hardfacing layer formed on one of the sections of the support arms and cones, while the hardfacing layer includes many coated diamond particles placed in the coating of the metal matrix and metallurgically bonded to it.

38. A conical cone bit for rotary drilling, characterized in that it mainly includes a cone cone body, a hardfacing layer deposited on the outer portion of the cone, and the hardfacing layer has many coated diamond particles located in the coating a metal matrix and metallurgically associated with it, each coated diamond particle containing the actual diamond particle coated with a solid material deposited on the outer part of the diamond particles, while many metallurgical bonds are formed between the outer surface of each diamond particle and the corresponding coating of solid material, and many metallurgical bonds are formed between the coating of the metal matrix and the surface of the outer base portion and the outer edge.

39. Conical cone, characterized in that it mainly comprises a conical metal body having a hard alloy hardfacing layer with many coated diamond particles dispersed in the coating of the metal matrix and metallurgically bonded to it.