Quando a rocha dura quebra primeiro sua broca de carboneto: repensando o design de brocas pequenas

Em rochas extremamente duras e resistentes, uma broca pode falhar antes mesmo da equipe ter se estabelecido no início da perfuração.

Os primeiros impactos acontecem. Uma pastilha de metal duro recebe uma carga concentrada. Uma pequena fissura se forma. Então, um canto se quebra, ou uma pastilha lasca, ou a broca perde sua aresta de corte muito antes do desgaste normal.

Nem sempre se trata de um problema de qualidade do material.

Pode ser um problema de geometria.

Para brocas de perfuração de rocha de pequeno e médio porte que operam em formações excepcionalmente duras e abrasivas, o instinto comum costuma ser adicionar mais botões ou reduzir o impacto suportado por cada um. Isso pode funcionar em algumas condições. Mas em rochas muito resistentes, uma pequena pastilha de metal duro pode simplesmente não ter a seção transversal e o volume necessários para suportar impactos concentrados repetidos.

Nesses casos, a questão não é "Como podemos distribuir a carga por mais insertos?", mas sim "Como cada inserto pode suportar mais carga sem quebrar?".

Essa é a ideia por trás da capacidade de carga de inserção única.

Por que rochas extremamente duras quebram pedaços precocemente

Rocha dura nem sempre é o mesmo que rocha resistente.

Uma formação altamente abrasiva desgasta o carboneto rapidamente. Uma formação dura resiste à fratura e pode transferir altas tensões de impacto de volta para a broca. Quando ambas as condições coexistem, a broca enfrenta uma combinação difícil: o carboneto deve resistir ao lascamento sob impacto, mantendo ao mesmo tempo dureza e resistência ao desgaste.

No início de cada impacto, a broca não entra em contato com o fundo do furo de maneira perfeitamente uniforme. O primeiro contato pode ocorrer em apenas uma parte da face de corte. A onda de tensão então se propaga pela ferramenta, esmagando a rocha local abaixo da pastilha ou da aresta de corte. Em rochas muito duras, a tensão de contato pode aumentar rapidamente antes que a carga se distribua uniformemente.

É por isso que a quebra prematura da pastilha é comum em projetos de brocas inadequados. A rocha não cede com facilidade suficiente para reduzir a tensão máxima na primeira pastilha que entra em contato.

Uma broca pode apresentar lascas de carboneto após uma curta distância, mesmo quando a perfuratriz, a pressão do ar e as práticas operacionais forem adequadas.

O princípio da carga de inserção única

O carboneto é duro e resistente ao desgaste, mas ainda assim é um material quebradiço. Sua resistência à falha por impacto depende em parte de suas propriedades materiais e em parte da geometria da pastilha individual.

Uma pastilha de metal duro maior geralmente possui uma seção transversal de suporte de carga maior e mais volume para resistir a impactos localizados. Em termos simples, uma pastilha mais espessa ou maior geralmente consegue absorver uma carga de impacto maior antes de fraturar.

Isso não significa que "maior é sempre melhor". Uma pastilha superdimensionada pode gerar outras desvantagens no projeto. Mas quando a lascagem prematura é o modo de falha predominante, aumentar o tamanho efetivo de cada elemento de metal duro que suporta a carga pode ser mais útil do que simplesmente aumentar o número de elementos pequenos.

O mesmo princípio se aplica a brocas de cinzel e brocas cruzadas. Em rochas extremamente duras, uma lâmina de carboneto mais espessa ou uma aresta de corte mais resistente pode ter melhor desempenho do que uma aresta fina projetada para rochas mais fáceis.

O objetivo do projeto é garantir que cada componente crítico tenha capacidade estrutural suficiente para suportar a carga que efetivamente receberá.

Por que mais botões às vezes podem piorar as coisas

As brocas de botão modernas geralmente utilizam múltiplos botões de metal duro para distribuir a carga e melhorar a ação de corte. Em muitas condições de perfuração, isso funciona extremamente bem.

Mas cada parte tem uma área de superfície limitada.

Se forem adicionados botões sem alterar o design geral da face, a energia de impacto disponível será distribuída por mais pontos de contato. Os botões individuais podem ficar menores ou mais próximos uns dos outros. O espaço para descarga pode diminuir. O padrão de quebra de pedras pode mudar.

Em terrenos excepcionalmente duros e resistentes, um botão pequeno ainda pode receber uma carga localizada severa durante o contato inicial. Se sua seção transversal for muito pequena, ele pode lascar antes que a carga tenha a chance de se espalhar por toda a superfície.

É por isso que não existe um único estilo de broca ideal para todas as formações rochosas.

Uma broca tipo botão com várias inserções pode ser uma ótima opção em uma aplicação. Uma broca tipo cinzel, cruzada, de três lâminas ou de design misto para serviço pesado pode ser mais resistente em outra. A escolha certa depende da resistência da rocha, da tenacidade, da abrasividade, da energia de perfuração, do diâmetro do furo, das condições de lavagem e do padrão de falhas observado em campo.

Fortaleça o corpo e também o carboneto.

Pastilhas de metal duro não funcionam sozinhas. O corpo de aço precisa suportá-las.

Na perfuração de rochas duras, as aletas ou seções do corpo de aço ao redor das pastilhas precisam ter espessura e resistência suficientes para manter o metal duro firmemente no lugar. Se o corpo flexionar excessivamente, apresentar rachaduras perto do assento da pastilha ou perder o suporte devido ao desgaste, mesmo o metal duro de alta qualidade pode falhar prematuramente.

Um projeto de broca para serviço pesado pode, portanto, incluir:

• Pastilhas de metal duro maiores ou mais espessas

• Asas de aço reforçadas ao redor da lâmina de corte

• Geometria de encaixe mais robusta

• Chanfros de borda controlados para reduzir lascas nos cantos.

• Um perfil facial que reduz o impacto excêntrico

• Tratamento térmico adequado ao equilíbrio necessário entre resistência e tenacidade.

O corpo de aço deve ser suficientemente resistente para suportar a pastilha, mas não tão frágil a ponto de rachar sob impactos repetidos. Esse equilíbrio é um dos aspectos mais importantes na fabricação de brocas.

A descarga continua sendo importante, mas as prioridades podem mudar.

A remoção eficiente dos detritos é essencial para uma perfuração produtiva. Uma lavagem inadequada causa trituração adicional, aquecimento e desgaste desnecessário.

No entanto, formações extremamente difíceis podem alterar a prioridade do projeto.

Se a rocha produzir detritos relativamente finos e a velocidade de perfuração for naturalmente menor, a lavagem pode ser menos limitante do que a durabilidade da broca. Nessa situação, pode ser sensato dedicar uma área maior da face de perfuração e uma espessura maior do corpo para o suporte de inserção, em vez de maximizar todas as passagens de lavagem possíveis.

Isso é uma questão de equilíbrio, não uma regra universal.

A broca ainda precisa de uma lavagem adequada. Mas quando a quebra prematura da pastilha está destruindo as brocas antes que o desgaste se torne o fator limitante, uma geometria mais robusta pode proporcionar um melhor desempenho do que uma face projetada principalmente para o fluxo máximo de cavacos.

O projeto correto surge da identificação da verdadeira razão pela qual o bit atual está falhando.

A seleção de materiais precisa de equilíbrio, não de extremos.

Para insertos de metal duro em rochas abrasivas resistentes, as propriedades desejadas podem competir.

Uma maior tenacidade ajuda a resistir à fratura e ao lascamento. Uma maior dureza melhora a resistência ao desgaste. Aumentar o teor de aglomerante em uma classe de metal duro pode melhorar a tenacidade, mas pode reduzir a dureza e fazer com que a pastilha se desgaste mais rapidamente em superfícies altamente abrasivas.

Por isso, a seleção de carboneto não deve se basear em apenas um número.

Para obter uma granulometria adequada para rochas extremamente duras, é necessário um equilíbrio apropriado entre dureza, resistência à ruptura transversal, tenacidade, densidade e microestrutura. A geometria do inserto, o método de retenção do botão e os parâmetros operacionais também influenciam o resultado.

Processos avançados de fabricação podem melhorar ainda mais a consistência, mas o desempenho em campo ainda depende da adequação do projeto completo da broca à formação.

Observe o modo de falha, não apenas a metragem.

Ao avaliar uma broca de perfuração de rochas, não registre apenas o total de metros perfurados.

Verifique por que a broca saiu de serviço.

A broca foi descartada devido ao desgaste normal do diâmetro de medição? Os botões de metal duro lascaram? A aresta de corte fraturou? O corpo de aço trincou? As roscas falharam? A broca superaqueceu porque os cavacos não estavam sendo removidos?

Esses detalhes indicam o que você deve mudar em seguida.

Se o problema for desgaste normal, um design mais duro ou mais resistente à abrasão pode ajudar. Se o problema for quebra prematura do metal duro, a solução pode ser o uso de insertos individuais mais resistentes, geometria de suporte aprimorada, melhor alinhamento ou um formato de face diferente.

Uma broca que atinge os limites normais de desgaste geralmente está cumprindo sua função. Uma broca que lasca ou quebra prematuramente indica que o caminho da carga precisa de atenção.

A parte da direita é a que normalmente falha.

Em rochas extremamente duras, pode não existir uma broca perfeita. Cada projeto envolve um equilíbrio entre taxa de penetração, vida útil do calibre, facilidade de limpeza, resistência da pastilha e custo.

Mas o objetivo é claro: a broca não deve falhar repentinamente porque seus insertos de metal duro não suportam a carga.

Uma boa broca para rocha dura é aquela que se desgasta de forma previsível, mantém um furo estável e atinge o intervalo de serviço planejado sem falhas prematuras da pastilha. É aí que reside o seu verdadeiro valor.