автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка буровых твёрдых сплавов с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости на основе высокотемпературных карбидов вольфрама

На

САЛЬНИКОВ Михаил Александрович

□□3484385

Разработка буровых твёрдых сплавов с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости на основе высокотемпературных карбидов вольфрама

05.02.01 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

26 НОЯ 2009

Самара 2009

003484385

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарский государственный технический

университет

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

АМОСОВ Александр Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ДРОЗДОВ Игорь Алексеевич

доктор технических наук, профессор ПАНОВ Владимир Сергеевич

Ведущая организация: ОАО «Уралбурмаш»

Защита состоится « 16 » декабря 2009г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.217.02 в Самарском государственном техническом университете по адресу: г.Самара, ул. Молодогвардейская, 141, корпус №6, ауд.28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (г.Самара, ул.Первомайская, 18).

Автореферат разослан « 12 » ноября 2009г.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просьба направлять по адресу: 443100, г.Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, учёному секретарю диссертационного совета Д.212.217.02.

Ученый'секретарь

диссертационного совета Д 212.217.02 д.т.н., профессор

А.Ф. Денисенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Буровые шарошечные долота с твердосплавными зубками наиболее ши-ко применяются при бурении скважин для добычи нефти и газа, а также в гор-рудной и геологоразведочной отраслях. Разрушение породы при их работе проходит в основном за счет ударно-скалывающего действия зубков. Непрерывное зрастание силовых и скоростных режимов современного бурения приводит к лее жестким условиях экстремального циклического ударного нагружения на грдосплавные зубки, в связи с чем стойкость твердосплавных зубков стала лидирующим фактором повышения проходки долот и механической скорости рения. Невысокая пластичность твёрдого сплава не позволяет получить стальную стойкость зубков к сколам и сломам, а также увеличить скорость бурея за счёт увеличения высоты зубков. Известное решение данной проблемы за ёт увеличения доли пластичной составляющей сплава - кобальтовой связки, именимо только при бурении мягких пород, так как при этом происходит зна-тельное снижение износостойкости сплава.

В этих условиях актуальной стала задача повышения характеристик платности и трещиностойкости буровых твердых сплавов без снижения износо-эйкости, а также поиск дополнительного способа контроля их прочностных и астических свойств при производстве, гарантирующего высокую эксплуатаци-ную стойкость твердосплавных зубков. Для решения этой задачи в настоящей ссертанионной работе были выполнены исследования по повышению качества рового твердого сплава за счет использования высокотемпературного карбида пьфрама, по которому имелись сведения о том, что он обладает повышенными зактеристиками пластичности, а также по целесообразности использования нтроля магнитного насыщения, который применялся ранее только в исследова-1ьских работах, в качестве дополнительного способа контроля в серийном про-юдстве бурового твердосплавного инструмента.

Цель работы и основные задачи исследований

Целью диссертационной работы является повышение пластичности трещиностойкости буровых твердых сплавов, без снижения износостойкости, дг обеспечения высокой эксплуатационной стойкости твердосплавных зубков бур( вых шарошечных долот.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие зад;

чи:

1. Установить факторы, приводящие к снижению трещиностойкости пластичности твердого сплава.

2. Выполнить коррекцию технологического процесса изготовления тве] досплавных зубков с целью 'устранения факторов, способствующе снижению трещиностойкости и пластичности.

3. Разработать и внедрить новые методики контроля качества тверд< сплавных зубков, гарантирующие их высокую эксплуатационную сто! кость.

4. Выполнить исследования прочностных свойств карбида вольфрама возможность их повышения.

5. На основе проведенных исследований разработать новые марки тверд« го сплава для изготовления твердосплавных зубков с повышенной пл; стичностью и трещиностойкостью.

6. Выполнить анализ эффективности внедрения результатов диссертащ онной работы применительно как к самому процессу изготовлена твердосплавных зубков, так и к качеству буровых долот в целом.

Научная новизна результатов исследования

1. Исследовано влияние пластических свойств кобальтовой связки и трещ! ностойкости твердого сплава на эксплуатационную стойкость тверд« сплавных зубков.

2. Показана необходимость контроля магнитного насыщения твердосплш ных зубков как основного критерия их эксплуатационной стойкости :

счет обеспечения высокой пластичности и трещиностойкости твердого сплава.

3. Проведено сравнительное исследование методом растровой электронной микроскопии морфологии и структуры частиц низкотемпературного и высокотемпературного карбида вольфрама и найдены существенные различия.

4. Проведено сравнительное исследование кинетики размола высокотемпературного и низкотемпературного карбидов вольфрама, подтвержден вывод о более высокой пластичности последнего.

5. Обоснована необходимость применения высокотемпературного карбида . вольфрама для изготовления буровых марок твердого сплава с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости.

Практическая значимость результатов исследований

1. Показано существенное различие свойств твердого сплава в пределах двухфазной области в зависимости от содержания углерода. Определен диапазон содержания углерода 6,08 - 6,13% (в пересчете на карбид), при котором обеспечивается достаточная пластичность и трещиностойкость твердого сплава и циклическая стойкость твердосплавных зубков.

2. Разработан технологический режим коррекции содержания углерода в процессе операции спекания через смесь газов: водорода и метана.

3. Разработана и внедрена методика анализа магнитного насыщения твердосплавных зубков, установлен допустимый диапазон магнитного насыщения, обеспечивающий высокую пластичность и трещиностойкость твердого сплава и стойкость зубков.

4. Разработаны технические условия на высокотемпературные марки карбида вольфрама для изготовления твердосплавных зубков с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости.

5. Выполнена модернизация технологического процесса изготовлен твердосплавных зубков с внедрением вышеуказанных техпроцессов, » то дик и новых материалов.

6. Переработан стандарт предприятия на твердосплавные зубки с внедре! ем новых марок буровых твердых сплавов на основе высокотемпераг ного карбида вольфрама.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы были представлены на Международь научно-технической интернет- конференции «Высокие технологии в маши: строении» (19.11.2006 - 21.11.2005, 2006, г.Самара) и Международной науч! технической конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (( мара, 2006).

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 7 работах, две из которых в издан! перечня ВАК.

Объём и структура диссертации

Диссертация изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 40 ] сунков, 20 таблиц и состоит из введения, семи разделов, заключения, списка пользованных источников (107 наименований) и четырёх приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика бурового долота и описание ме низма его износа в процессе бурения. Приведено обоснование актуальности д сертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, обоснов; практическая значимость результатов работы.

В первом разделе выполнен литературный обзор по твёрдым сплавам.

Дана краткая историческая справка по созданию технологии произволе твёрдых сплавов.

Проведён анализ диаграммы состояния системы - С - Со. Показан фазовый ютав сплавов при различных температурах. Показаны пределы растворимости и 1ставы двойных и тройных эвтектик. Проведён анализ квазибинарного сечения юйной диаграммы по линии Со - \УС при соотношении ¥кС как 1 к 1 (атом.).

На основании данной диаграммы сделан анализ фазовых превращений при юкании сплавов \УС - Со.

Подробно освещены вопросы теории прочности твёрдых сплавов. Приведены щные по зависимости физико-механических характеристик сплавов от химиче-;ого состава, размера частиц карбидной фазы.

Приведены данные по методике расчёта критических напряжений для распро-•ранених трещин и хрупкого разрушения сплава. Показанные расчёты свиде-шьствуют о значительном влиянии пластичности на характер разрушения сплава на величину предельных напряжений.

Выполнен обзор видов разрушений твердосплавных зубков в процессе работы

)ЛОТ.

Показан характер нагружения зубков в забое, величина и способ приложения 1грузки. Показано влияние внутренних пустот сплава на стойкость зубков, спе-дфический вид износа зубков - термическое растрескивание.

Обосновано предположение о важности параметра Юс сплава - критического фаметра интенсивности напряжений, для обеспечения максимальной стойкости 'бков к сколам и сломам во время работы. Обосновано, что недостаток пластич-эсти и трещиностойкости материала зубков приводит к аварийному выходу из ■роя долот и улучшение этих показателей является основным резервом увеличе-1Я как эксплуатационной стойкости долот при бурении так и механической ско-)сти бурения.

Во втором разделе даны подробные характеристики материалов, методик, эиборов и оборудования, используемого в производстве твердосплавных изде-1Й.

Приведены характеристики приборов и оборудования, внедрённых в про, водство по результатам данной работы и наоборот, исключённых из произволе! по результатам проведённых исследований.

При исследовании параметров исходных порошков вольфрама и кобальта i пользовались как стандартные методики анализов, такие как анализаторы сод жания углерода и кислорода фирмы «Ьесо», анализатор среднего размера част по Фишеру, анализатор насыпной плотности (волюмометр Скотта), так и доп< нительные методы - анализ гранулометрического состава порошков на рент новском седиментографе «Седиграф».

При анализе качества спечённых зубков также наряду со стандартными ме диками использовались и новые разработки, выполненные при непосредственн участии автора данной работы, а именно - программный компьютерный ана) остаточной пористости и среднего размера частиц созданный совместно с фир\ «СИАМС» г.Екатеринбург и определение коэрцитивной силы и магнитного сыщения на специально изготовленном по заданию ОАО «Волгабурмаш» при1 ре фирмы «Walker LDG» (США).

Дополнительно исследовалась стойкость твердосплавных зубков при цикли ском ударном нагружении, как наиболее приближённая к реальным нагруз1 при бурении, методика определения эксплуатационной стойкости зубков.

Приведено подробное описание оборудования, применяемого в ОАО «Вол бурмаш» в процессе производства твердосплавных зубков, показаны его прей; щества и недостатки, выявленные по результатам работы.

В третьем разделе работы выполнено исследование влияния содержания лерода на эксплуатационные свойства твердосплавных зубков и дано объясне1 полученных результатов с точки зрения пластичности и трещиностойкости тв дого сплава. Для этого подробно проанализирован вертикальный разрез трош системы W - С - Со по линии WC - Со. Показаны различные фазы - твёрдый р твор на основе кобальта, свободный углерод и п-фаза, показаны области суще вования различных фаз в зависимости от содержания углерода.

Приведены данные исследований зависимости свойств твёрдого сплава \УС -Со,- прочности при изгибе, ударной вязкости, твёрдости и т.п. от содержания углерода.

Показано, что несмотря на рекомендации многих источников о максимуме прочностных свойств твёрдого сплава в границах двухфазной области, и на довольно узкий диапазон существования этой двухфазной области (от 0,07 до 0,22% масс, по содержанию углерода в зависимости от содержания кобальта в сплаве), разброс свойств, и особенно стойкости к ударным нагрузкам в пределах этой области достаточно велик, и для буровых твёрдых сплавов этот разброс свойств имеет критическое значение.

Это подтверждено результатами испытаний циклической ударной стойкости твердосплавных зубков, имеющих однородную двухфазную структуру и высокое значение предела прочности при поперечном изгибе, но разной содержание углерода. Причём, незначительные на первый взгляд различия в содержании углерода на уровне сотых долей процента, приводил!! к катастрофической разнице в циклической стойкости зубков.

Таблица 1. Циклическая стойкость зубков из сплава ВК10 и содержание углерода в них

Тин зубка Количество ударов Содержание углеро-

до разрушения да, %(масс.)

1*8812 ^ 256 5,37

1*962 2078 5,42

1*3712 >4000 5,49

ГШ 18 1560 5,40

1*5677 >4000 5,51

118652 345 5,39

1*9314 157 5,36

1*4875 >4000 5,52

1*4986 >4000 5,50

1*9963 1276 5,39

1*6788 >4000 5,48

Это объясняется изменением пластичности кобальтовой связки из-за разно количества растворённого в ней вольфрама. Известно, что содержание вольфра? в кобальтовой связке находится в обратной зависимости от содержания углеро. в сплаве и увеличение содержания вольфрама в кобальтовой связке приводит быстрому снижению трешиностойкости сплава .

В диссертации приведены соответствующие количественные зависимости, н сящие линейный характер.

Снижение критического параметра интенсивности напряжений в сплаве п| увеличении содержания вольфрама в кобальте, происходит из-за уменьшен; пластичности кобальта. Это снижение пластичности можно объяснить затрудн нием к скольжению дислокаций, вызываемым искажениями кристаллической р щётки кобальта атомами вольфрама, Таким образом, необходимо сводить до м нимума содержание вольфрама в кобальтовой связке, обеспечивая тем самь максимально возможные характеристики пластичности и трещиностойкос твёрдого сплава. Этим объясняется сильная зависимость свойств твёрдого спла от содержания углерода в нём. в том числе и в весьма малом диапазоне двухфг ной области.

На основании проведённых исследований циклической стойкости определ оптимальный диапазон содержания углерода в сплаве в пределах двухфазной о_ ласти 6,08 - 6,13%, попадание в который обеспечивает высокую пластичность трещиностойкость и, как следствие, высокую эксплуатационную стойкость тве досплавных зубков.

В четвёртом разделе выполнен анализ зависимости свойств твёрдого спла от величин коэрцитивной силы и магнитного насыщения. Дано описание спос. оов и приборов контроля магнитных характеристик твёрдых сплавов.

Коэрцитивная сила - это структурно чувствительный параметр, который >

растеризует толщину кобальтовых прослоек и, тем самым, говорит о величи

зерна карбидной фазы. Чем выше коэрцитивная сила, тем мельче размер зёр

\УС. А размер зерна определяет износостойкость сплава при одинаковом соде

жанип кобальта. 10

Таким образом, контролируя коэрцитивную силу твердосплавных зубков, в мках заранее определённого для каждой марки сплава диапазона, мы можем штролировать зернистость и износостойкость сплава.

Величина магнитного насыщения твёрдого сплава зависит от степени легиро-1НН0сти кобальтовой связки вольфрамом. Причём эта зависимость носит такой е линейный характер, как и зависимость количества растворённого вольфрама г содержания углерода, то есть, чем больше в кобальте растворено вольфрама, :м меньше значение магнитного насыщения. Соответственно, чем больше маг-1тное насыщение, тем выше будет трещиностойкость сплава.

Проведённые исследования циклической стойкости твердосплавных зубков, с пличным значением магнитного насыщения позволили построить график этой .висимости и определить диапазон значений магнитного насыщения, гаранти-/ющего высокую пластичность и трещиностойкость, а следовательно, и эксплуа-щионную стойкость твердосплавных зубков.

Методика определения магнитного насыщения была отработана на магнито-;тре фирмы «\Volker ЬЭС», изготовленном по заданию ОАО «Волгабурмаш». ля удобства и быстродействия при проведении анализов и оценке его результа->в, программное обеспечение прибора выдаёт значение магнитного насыщения в гениальных единицах, приведённых к одному грамму кобальта (Гс/г Со). Это >зволяет установить единый допустимый диапазон магнитного насыщения, не-висимо от марки сплава.

4500 -4000 *

£ 3500 -

о

| 3000 -

0

| 2S00 ■

5 2000 •

щ

1 1500 -

| 1000 ■

S00 ' О Щ

120

Магнитное насыщение, Гс/r Co

Рисунок 1. Зависимость циклической ударной стойкости зубков из сплава WC Со с 10% Со от магнитного насыщения.

Величина насыщения верхним пределом имеет значение магнитного насып ния чистого кобальта, но практически всегда меньше его. В приведённых едш цах оно составит 160Гс/гСо. За нижний предел магнитного насыщения приш значение 145 Гс/гСо. По данным рис.1 такое значение гарантирует стойкость менее 4000 циклов при испытаниях на ударную нагрузку. Таким образом в Texi ческие условия на изготовление твердосплавных зубков дополнительно вклю1-параметр допустимого магнитного насыщения в диапазоне 145 - 160 Гс/гСо. 2 позволило гарантировать высокую эксплуатационную стойкость твердосплавн зубков за счёт высокой пластичности и трещиностойкости сплава и ликвиди] вать проблему их скола и слома при бурении.

Необходимо отметить, что контроль магнитного насыщения выполняет п] мерно такую же роль, как контроль циклической стойкости или контроль сод жания углерода в зубке после спекания, но имеет огромное преимущество в бы родействии, объёме исследуемого материала и неразрушающем характере ана. за. Его проведение занимает по времени не более одной минуты. Именно поэте

.125 130 135 140 145 150 155

включён в качестве операционного контроля в технологический процесс изго-вления твердосплавных зубков.

Можно отметить, что внедрение данной методики позволило не только гаран-ровать высокое качество зубков, но и значительно уменьшить объём контроля угими методами, в основном разрушающими.

В пятом разделе диссертации исследовано влияние температуры карбидиза-и на пластичность карбида вольфрама. Рассмотрены реакции, происходящие в оцессе карбидизации вольфрама. Несмотря на то, что исходные компоненты ходятся в твёрдой фазе, реакция соединения углерода с вольфрамом происхо-:т через газовую фазу. С ростом температуры процесса увеличивается скорость ффузии углерода в вольфрам и следовательно ускоряется процесс карбидиза-:и. Стандартная температура карбидизации зависит от среднего размера частиц обычно находится в диапазоне 1300 - 1600°С. В ОАО «Волгабурмаш» карбиди-ция вольфрама проводилась при температуре 1500 - 1550°С.

В нескольких источниках указывалось, что повышение температуры карбиди-ции вольфрама приводит к некоторому повышению пластических свойств самокарбида вольфрама и сплавов на его основе. Механизм такого повышения пла-ичности подробно не исследовался. Учитывая, что для буровых твёрдых сплавов пластичность и трещиностой-сть имеют определяющее значение для стойкости зубков при бурении, мы про-ли сравнительные исследования высокотемпературного и низкотемпературного рбида вольфрама и твердосплавных зубков, изготовленных на их основе.Для льшей достоверности результатов были использованы порошки высокотемпе-турного карбида вольфрама от различных производителей, полученные при мпературе карбидизации Тк=2000°С.

В данной работе мы проверяли прочность карбидных зёрен в зависимости от

емени размола. Прочность карбидных зёрен определялась по изменению сред-

го размера частиц по Фишеру в исходном состоянии и после помола в течение

< часов с периодичностью в 0,5 часа. Образцы карбида, массой 100 граммов,

мещачись в стеклянные банки с вольфрамовыми стержнями, которые одновре-

13

менно вращались с постоянной скоростью на лабораторных валках. Через каждь 0,5 часа производился замер среднего размера частиц. Результаты замеров показаны в табл. 2.

Таблица 2. Влияние температуры карбидизации вольфрама на кинс тику измельчения карбидных зёрен

Марка карбида Исходный размер частиц, мкм Размер частиц после помола, мкм

0,5 ч 1,0 ч 1,5 ч 2,0 ч 2,5 ч 3,0 ч

ОАО «ВБМ»-низкотемпературный, партия №2034 12,0 7,8 5,2 4,4 3,5 3,2 з Л

Китай - высокотемпературный, партия №73 8,0 5,6 5,2 4,4 4,4 4,4 4,4

Китай - высокотемпературный, партия №112 7,2 6,2 5,2 4,8 4,2 3,9 3,9

ОАО «КЗТС» - высокотемпературный, партия №08 7,4 5,2 4,8 4,4 3,9 3,5 3,5

Из приведённых результатов видно, что высокотемпературный карбид воль рама измельчается гораздо медленнее. Для наглядности результаты изменен среднего размера частиц выведены в виде графиков на рис.2.

Средний размер частиц высокотемпературного карбида вольфрама за вре размола уменьшился в 1,8 - 2,1 раза, а низкотемпературный карбид при таком : режиме размола уменьшил средний размер частиц в 3,75 раза.

Чтобы понять причины такой существенной разницы в прочности при разл ле, нами были сделаны фотографии исходных порошков карбидов на растров электронном микроскопе ,1ео1 .^М - 6390А, которые приведены на рис. 3-5, л разных температур карбидизации Тк.

Длительчостьпомола. ч

'исунок 3. Карбид вольфрама КБ партия №2034 производства ОАО «Волгабур-

маш», Тк=15009С

Рисунок 2. Зависимость размера зерна от длительности помола партий карбида вольфрама, изготовленного по «низкотемпературной» и «высокотемпературной» технологии.

Рисунок 4. Карбид вольфрама партия №112, производитель Китай, Тк-2000°С

Рисунок 5, Карбид вольфрама партия №08, производство ОАО «КЗТС», Тк=2000°С

Из приведённых фотографий видно, что низкотемпературный карбид вольф-ма, несмотря на больший исходный размер частиц, в каждой частице имеет непородную поликристаллическую структуру, состоящую из большого числа от-льных кристаллитов. В высокотемпературном карбиде вольфрама неоднород->сть строения частиц выражена гораздо меньше и видно, что зёрна состоят из того числа кристаллитов, то есть имеют более плотную структуру, близкую к жокристаллической. Наличие такой поликристаллической структуры можно объяснить тем, что при рбидизации возникает напряжённое состояние между разными кристалличе-ими решётками - гексагональной (Г8) у карбида вол' фрама и кубической (ГЦК) у вольфрама. Решётки имеют разный удельный объём, в результате чего возни-ют напряжения растяжения, которые и приводят к растрескиванию кристалла. Различие в строении кристаллов высокотемпературного и низкотемпературно-карбидов можно объяснить следующими причинами:

• Во-первых, более высокая температура карбидизации резко ускоряет диффузию углерода вглубь карбидного зерна и практически мгновенно по всему объёму или по нескольким участкам происходит перестроение кристаллической решётки. Подобную картину мы имеем при карбидизации мелкодисперсного вольфрама, у которого не происходит разрушение кристалла карбида даже при значительно более низких температурах карбидизации и в результате получаются монокристаллические зёрна карбида вольфрама.

• Во-вторых, сам вольфрам при более высоких температурах карбидизации становится пластичнее и деформируется без растрескивания.

Представляет интерес также версия о том, что при высоких температурах кар-дизации энергия активации новых центров кристаллизации становится выше ергии диффузии углерода вглубь зерна вольфрама, поэтому происходит карби-зация всего зерна из одного или нескольких начальных центров.

Проведённые исследования могут с большой долей вероятности объясни феномен более высокой пластичности сплавов на основе высокотемпературно: карбида вольфрама, тем, что у низкотемпературного карбида даже после заве шения операции мокрого размола, могут оставаться в структуре зёрен карби, участки разноориентированных кристаллов или даже микротрещин, оставших от поликристаллического зерна, которые ускоряют разрушение зёрен карбида п] нагружении.

В шестом разделе выполнен анализ действующего в ОАО «Волгабурмаг технологического процесса изготовления твердосплавных зубков. На основе пр ведённых исследований внесены изменения в технологический процесс, а именг

• Исключена из техпроцесса операция карбидизации вольфрама, так к существующее оборудование не позволяет получить требуемую темпер туру карбидизации. Производство зубков переведено на использован покупного высокотемпературного карбида вольфрама, для чего разраС таны и согласованы с несколькими поставщиками технические услов на высокотемпературный карбид вольфрама.

• Исключены из техпроцесса печи предварительного спекания и печи ва! умного спекания, так как они не позволяют обеспечивать необходи.ч строго определённое содержание углерода в зубках после спекания.

• Для процесса спекания зубков использованы вакуумно-компрессионн печи нового поколения, позволяющие совместить в одном цикле проц сы удаления пластификатора, спекания в вакууме и газостатической I работки высоким давлением при температуре спекания. Кроме того, этих печах отработан режим коррекции содержания углерода в сплав процессе спекания через создание необходимого углеродного потенци; в атмосфере печи с помощью смеси газов - водорода и метана.

• В технологический процесс включён контроль магнитного насыще] твердосплавных зубков, как основного критерия их высокой эксплуа ционной прочности.

На основе проведённых изменений технологического процесса переработан андарт предприятия на технические требования к твердосплавным изделиям, с лючением в него новых марок сплава на основе высокотемпературных карби->в вольфрама ВК6С, ВКЮС, ВК15С.

Разработанные марки сплава отличаются от ранее применяемых марок:

• Использованием в качестве исходного сырья высокотемпературного карбида вольфрама;

• Более жёсткими характеристиками остаточной пористости;

• Наличием в технических требованиях параметра магнитного насыщения с достаточно узким допустимым диапазоном значений;

5сё это позволило не только ликвйдировать проблему скола и слома зубков в юцессе бурения, но и увеличить возможности повышения механической скоро-и бурения за счёт применения зубков с большей высотой вылета над телом шашек.

В седьмом разделе выполнен анализ эффективности от внедрения в производ-во результатов исследований. Показано, что изменение технологии изготовле-:я твердосплавных зубков на основе проведённых исследований, позволило еспечить стабильно высокий уровень эксплуатационной стойкости твердо-лавных зубков. Кроме того, проведённые мероприятия позволили существенно изить издержки самого твердосплавного производства и сократить потери ма-эиалов в процессе производства. Только в собственном производстве твердо-лавных зубков годовой экономический эффект составил около 21,5 млн. б.Повышение пластичности и трещиностойкости твердосплавных зубков позлило не только устранить случаи аварийных выходов из строя долот из-за сло-зубков, но и значительно увеличить проходку долот, особенно при бурении гпких пород. Так, по результатам сравнительных испытаний, проведённых в 08г. в Полтавском ГОК, только за счёт новых твердосплавных зубков получено сличение проходки долот 11745 почти на 60%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Показана определяющая роль характеристик пластичности и трещиностойкс сти твердого сплава в обеспечении высокой эксплуатационной стойкост: твердосплавных зубков буровых шарошечных долот.

2. Исследовано влияние такого фактора как содержание углерода в твердо1 сплаве на его пластичность и трещиностойкость, и на циклическую стойкост зубков, найдено оптимальное содержание углерода в двухфазной облает твердого сплава 6,08...6,13%(масс.) в пересчёте на карбид вольфрама.

3. Разработана методика контроля магнитного насыщения твердого сплава, установлен допустимый диапазон магнитного насыщения 145... 160 Гс/г С( гарантирующий высокую пластичность и трещиностойкость твердого сплав, а, следовательно, и высокую эксплуатационную стойкость твердосплавны зубков при бурении.

4. Проведено сравнение прочностных и пластических свойств и строения зере карбидов вольфрама, полученных при низких и высоких температурах карб> дизации; показано преимущество высокотемпературного карбида вольфрам для изготовления буровых твердых сплавов с повышенными характеристик ми пластичности и трещиностойкости.

5. На основе проведенных исследований внесены следующие изменения в те? нологический процесс изготовления твердосплавных зубков:

- низкотемпературный карбид вольфрама заменен на высокотемперату]: ный, в связи с чем разработаны и согласованы с поставщиками технич< ские условия на высокотемпературный карбид вольфрама;

- операция спекания твердого сплава переведена с раздельного цикла двух печах на полный цикл в одной вакуумно-компрессионной печи корректировкой содержания углерода в твердом сплаве до необходимог уровня;

- характеристика магнитного насыщения твердого сплава включена в п< речень параметров, контролируемых при производстве твердосплавны зубков.

6. Внесенные изменения в технологию изготовления твердосплавных зубков

позволили обеспечить стабильно высокий уровень эксплуатационной стойкости зубков и существенно снизить издержки твердосплавного производства.

7. Разработаны новые марки твердого сплава ВК6С, ВК10С, ВК15С повы-

шенной пластичности и трещиностойкости на основе высокотемпературного карбида вольфрама для изготовления твердосплавных зубков шарошечных долот, износостойкость которых не уступает, а в случае с ВК6С . даже превосходит, характеристики применявшихся ранее сплавов.

8. В результате повышения пластичности и трещиностойкости твердосплав-

ных зубков не только устранены случаи аварийных'выходов из строя долот из-за слома зубков, но и значительно, до 60%, увеличена проходка долот, а также стали возможны более высокие скорости бурения за счет увеличения вылета зубков над телом шарошки (до 20-25 мм, вместо 8-12 по ТУ 48-4205-44-2002).

Основное содержание диссертации представлено в работах:

1. Ахметсагиров С.М., Сальников М.А., Ищук А.Г., Бичуров Г.В. Влияние химической неоднородности на циклическую ударную прочность твердосплавных зубков буровых долот на основе карбида вольфрама. // Вестник Самарского гос. техн. ун-та. 2008, №2, с.119-126.

2. Амосов А.П., Ахметсагиров С.М., Бичуров Г.В., Сальников М.А. Исследование параметров порошкового сырья для изготовления твердосплавных зубков буровых долот. // Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2007, №1, с.4 -10.

3. Ахметсагиров С.М. Бичуров Г.В., Ищук А.Г., Сальников М.А. Исследование влияния физико-механических свойств твердосплавных

зубков на циклическую ударную стойкость. //Материалы научн.-те>, междун. интернет-конфер. «Высокие технологии в машинострс нии». Самара, СамГТУ, 2006. с.298-303.

4. Ахметсагиров С.М., Амосов А.П., Бичуров Г.В., Ищук А.Г., Сальн ков М.А. О влиянии неоднородности распределения кобальтов связки на циклическую прочность твердосплавных зубков буров] долот.// Сб. тезисов XVI междун. конфер. «Физика прочности и ш стичности материалов». Самара, СамГТУ, 2006, 104с.

5. Ахметсагиров С.М., Амосов А.П., Бичуров Г.В., Ищук А.Г., Саль? ков М.А. О влиянии углеродного баланса на циклическую прочное твердосплавных зубков буровых долот. //Сб. тезисов XVI межд. кс фер. «Физика прочности и пластичности материалов». Самара, Ca ГТУ, 2006, 200с.

6. Бичуров Г.В., Сальников М.А., Ахметсагиров С.М. О связи меха! ческих свойств твёрдых сплавов с их магнитными характеристика« //Сб. тезисов междун. конф. «Физика прочности и пластичности г териалов». Самара, СамГТУ, 2006, 201с.

7. Ищук А.Г., Ерисов А.Е., Сальников М.А., Гайдуков В.В. Разработка метода компьютерного анализа структуры твёрдых сплавов для бур вых шарошечных долот // Материалы научн.-техн. междун. интерн* конфер. «Высокие технологии в машиностроении». Самара, СамГТ 2005, с. 181 - 184.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.02 ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет (протокол № 9 от 09 ноября 2009г.)

Заказ №943 Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе. ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет Отдел типографии и оперативной печати 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Введение.

1 .Литературный обзор.

1.1 Сплавы WC-Co. Диаграммы состояний. Структура и свойства.

1.2 Теория прочности твёрдых сплавов.

1.3 Эксплуатационные свойства зубков.

Механизмы разрушения и износа.

1.4 Задачи для исследования.

2.Материалы, твёрдые сплавы и методы их исследования, применяемые в работе.

3. Исследование влияния содержания углерода на эксплуатационные свойства твердосплавных зубков.

3.1 Анализ структур тройной системы W - С — Со.

3.2 Влияние содержания углерода на свойства сплава в двухфазной области диаграммы WC — Со.

4. Магнитное насыщение как основной способ контроля прочностных свойств твердосплавных зубков.

4.1 Магнитные свойства твёрдых сплавов, методы измерения.

4.2 Коэрцитивная сила и её связь со структурой и свойствами твёрдого сплава.

4.3 Магнитное насыщение — оптимальный критерий трещиностойкости твёрдого сплава.

4.4 Взаимосвязь магнитного насыщения и циклической ударной стойкости твердосплавных зубков.

5. Влияние температуры карбидизации на пластичность карбида вольфрама и работу разрушения сплава.

5.1Физико-химические условия процесса карбидизации.

5.2Влияние температуры карбидизации вольфрама на свойства твёрдого сплава.

6. Создание нового сплава и технологии его производства на основе высокотемпературного карбида вольфрама.

6.1 Анализ технологии изготовления и эксплуатационных качеств твердосплавных зубков в ОАО «Волгабурмаш».

Проблемы, требующие их корректировки.

6.2Параметры исходного сырья. б.ЗСовершенствование технологии изготовления твердосплавных зубков и методик контроля качества сплава.

7.Эксплутационные свойства разработанного твёрдого сплава и показатели работы буровых долот.

7.1 Повышение эффективности твердосплавного производства.

7.2 Динамика показателей работы долот ОАО «Волгабурмаш».

Буровые шарошечные долота являются основным инструментом для бурения скважин в нефтяной, газовой и горнорудной отраслях промышленности. Шарошечное долото представляет собой сложную конструкцию, состоящую из трёх сваренных между собой секций. Каждая секция представляет собой неподвижную часть - лапу, на которой находится подвижная вращающаяся часть - шарошка. Разрушающим породу элементом шарошки являются зубки, которые могут быть исполнены стальными с наплавкой твёрдым сплавом или полностью твердосплавными, запрессованными в заранее просверленные отверстия в шарошке.Твердосплавные зубки, в зависимости от категории пород, имеют разную форму. Если раньше уровень качества твёрдого сплава не позволял изготавливать зубки с вылетом над телом шарошки более радиуса запрессованной части [4], то сейчас зубки изготавливаются с соотношением запрессованной и рабочей части как 1 к 1, и максимальным вылетом зубка над телом шарошки до 20.. .25мм (рис.2).Рисунок 2. Твердосплавные зубки производства ОАО «Волгабурмаш» Буровые долота работают в чрезвычайно тяжёлых условиях[106].Достаточно отметить, что имея диаметр 46...660мм, они работают при осевых нагрузках 2...40к11, при частоте вращения от 0,7 до 20 оборотов в секунду, в абразивосодержащей среде, при значительной динамичности приложения нагрузки. Высокая энергоёмкость разрушения горных пород требует подведения к долоту большой (более 50кВт) мощности. Реализация этой мощности происходит через небольшие контактные поверхности, что обуславливает высокую напряжённость работы элементов долота.Основным показателем эффективности работы долота является стоимость одного метра проходки, которая зависит от скорости бурения и стойкости долота, то есть времени его работы до замены [24].Сложные условия работы долот приводят к интенсивному изнашиванию их элементов и прежде всего опоры и вооружения.Основным видом повреждения твердосплавных зубков является их разрушение за счёт скола при повышенных или даже нормальных энергиях удара по забою [6]. В результате скола части зубков увеличивается удельная нагрузка на оставшиеся зубки шарошки, а также на зубки других шарошек, что приводит к преждевременному выходу из строя долота в целом.Дополнительным отрицательным результатом такого изнашивания является скопление на забое твёрдого сплава, который в силу своей большой плотности не может быть поднят циркулирующей жидкостью на поверхность скважины. Наличие такого скрапа на забое резко снижает эффективность работы последующих долот и способствует преждевременному выходу их из строя.В последние годы всё более широкое применение наряду с шарошечными долотами находят алмазные долота. Но всё равно на сегодня доля шарошечных долот в бурении превышает 80%. А для особо крепких гт крепких пород, она составляет 100%.ОАО «Волгабурмаш» является ведущим предприятием России по производству буровых долот и входит в пятёрку ведущих мировых производителей. Долота ОАО «Волгабурмаш» занимают примерно 80% отечественного рынка бурового инструмента. Значительная часть продукции поставляется в страны ближнего и дальнего зарубежья. В условиях открытого рынка бурового инструмента обострилась борьба в первую очередь с зарубежными производителями, возросла конкуренция. В этих условиях большое значение приобретает качество буровых долот.В связи с этим, в ОАО «Волгабурмаш» проводится большая работа по повышению эффективности и качества буровых долот.Проведены исследования качества отечественных и импортных долотных сталей, на основе которых разработаны новые технические условия на долотные стали ТУ 14- 550 -51 - 2004 [72].Разработаны и внедрены методы компьютерного анализа напряжённодеформированного состояния деталей буровых долог, технология селективной компьютерной сборки [71].Разработаны, и применяются при создании новых конструкций долот, принципы научно обоснованного выбора и проектирования схем опор лап, очистки забоя, новых видов вооружения шарошек[70], оптимизированы процессы сборки опор[64, 76].Проводимая работа позволяла наращивать уровень качества долот. Но на определённом этапе сдерживающим фактором в росте проходки долот стало нестабильное качество твердосплавных зубков. Причём стандартные методы исследования качества твёрдого сплава, такие как твёрдость, плотность, прочность при изгибе и микроструктура, не выявляли каких либо отклонений и нестабильности. Вместе с тем, при отработке долот значительное количество зубков подвергалось сколам и сломам в начальный период работы долота. Всё это снижало позиции в конкуренции с другими производителями и могло привести к вытеснению с рынка.Большинство научно-исследовательских работ по твёрдым сплавам относятся к общим характеристикам 'сплавов или к твёрдым сплавам для режущего инструмента. Недостаточно исследований, касающихся конкретно буровых марок твёрдых сплавов. В то же время, твердосплавные зубки работают в условиях экстремального ударного циклического нагружения, и характер работы предъявляет особые требования к физико-механическим свойствам сплавов. Разрушение породы происходит за счёт ударноскалывающего воздействия зубков. Поэтому преимущественное значение приобретают характеристики пластичности и трещиностойкости.Всё вышеизложенное обусловило необходимость проведения комплекса научно-исследовательских работ по повышению качества твёрдого сплава и разработке и внедрению новых методов контроля, позволяющих гарантировать высокую эксплуатационную стойкость зубков.Часть работ в этом направлении составила содержание кандидатской диссертации Ахметсагирова СМ. по технологическому обеспечению стабильности циклической ударной стойкости за счёт повышения стабильности химического состава твёрдого сплава и оптимизации содержания углерода в нём[42].Другая часть работ, составивших содержание настоящей диссертации, посвящена повышению качества твёрдого сплава за счёт использования высокотемпературного карбида вольфрама, по которому имелись сведения, что он обладает повышенными характеристиками пластичности^ 16], а также за счёт использования характеристики магнитного насыщения, как дополнительного способа контроля прочностных свойств твердосплавных зубков, гарантирующего их высокую эксплуатационную стойкость[13].Для решения проблемы повышения качества буровых твёрдых сплавов за счёт этих факторов необходимо было решить следующие задачи: 1. Установить факторы, приводящие к снижению трещиностойкости и пластичности твердого сплава.2. Выполнить коррекцию технологического процесса изготовления твердосплавных зубков с целью устранения факторов, способствующих снижению трещиностойкости и пластичности.3. Разработать и внедрить новые методики контроля качества твердосплавных зубков, гарантирующие их высокую эксплуатационную стойкость.4. Выполнить исследования прочностных свойств карбида вольфрама и возможность их повышения.5. На основе проведенных исследований разработать новые марки твердого сплава для изготовления твердосплавных зубков с повышенной пластичностью и трещиностойкостью.6. Выполнить анализ эффективности внедрения результатов диссертационной работы применительно как к самому процессу изготовления твердосплавных зубков, так и к качеству буровых долот в целом.Научная новизна результатов исследований 1. Исследовано влияние пластических свойств кобальтовой связки и трещиностои кости твёрдого сплава на эксплуатационную стойкость твердосплавных зубков.2. Показана необходимость контроля магнитного насыщения твердосплавных зубков как основного критерия их эксплуатационной стойкости за счёт обеспечения высокой пластичности и трещиност ойкоти твёрдого сплава. Выполнен анализ эффективности применения высокотемпературного карбида вольфрама в производстве твердосплавных зубков.3. Проведено сравнительное исследование методом растровой электронной микроскопии морфологии и структуры частиц низкотемпературного и высокотемпературного карбида вольфрама и найдены существенные различия 4. Проведено сравнительное исследование кинетики размола низкотемпературного и высокотемпературного карбида вольфрама, подтверждён вывод о более высокой пластичности последнего.5. Обоснована необходимость применения высокотемпературного карбида вольфрама для изготовления буровых марок твёрдого сплава с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости.Практическая значимость результатов исследования По результатам проведённых исследований: 1. Показано существенное различие свойств твёрдого сплава в пределах двухфазной области в зависимости от содержания углерода. Определён диапазон содержания углерода 6,08 - 6,13% (в пересчёте на карбид), при котором обеспечивается достаточная пластичность IT трещиностойкость твёрдого сплава и циклическая стойкость твердосплавных зубков.2. Разработан технологический режим коррекции содержания углерода в процессе операции спекания через смесь газов : водорода и метана.3. Разработана и внедрена методика анализа магнитного насыщения твердосплавных зубков, установлен допустимый диапазон магнитного насыщения, обеспечивающий высокую пластичность и трещиносюйкость твёрдого сплава и стойкость зубков.4. Разработаны технические условия на высокотемпературные марки карбида вольфрама для изготовления твердосплавных зубков с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости.5. Выполнена модернизация технологического процесса изготовления твердосплавных зубков с внедрением вышеуказанных техпроцессов, методик и новых материалов.6. Переработан стндарт предприятия на твердосплавные зубки с внедрением новых марок буровых твёрдых сплавов на основе высокотемпературного карбида вольфрама.Апробация работы Материалы диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: XVI международная научно-техническая конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2006); Международная научно-техническая интернет-конференция «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2005, 2006гл\).Публикации Результаты диссертации опубликованы в семи работах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Показана определяющая роль характеристик пластичности и трещиностойкости твердого сплава в обеспечении высокой эксплуатационной стойкости твердосплавных зубков буровых шарошечных долот.

2. Исследовано влияние такого фактора как содержание углерода в твердом сплаве на его пластичность и трещиностойкость, и на циклическую стойкость зубков, найдено оптимальное содерлсание углерода в двухфазной области твердого сплава 6,08.6,13%(масс.) в пересчёте на карбид вольфрама.

3. Разработана методика контроля магнитного насыщения твердого сплава, и установлен допустимый диапазон магнитного насыщения 145. 160 Гс/г Со, гарантирующий высокую пластичность и трещиностойкость твердого сплава, а, следовательно, и высокую эксплуатационную стойкость твердосплавных зубков при бурении.

4. Проведено сравнение прочностных и пластических свойств и строения зерен карбидов вольфрама, полученных при низких и высоких температурах карбидизации; показано преимущество высокотемпературного карбида вольфрама для изготовления буровых твердых сплавов с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости.

5. На основе проведенных исследований внесены следующие изменения в технологический процесс изготовления твердосплавных зубков: низкотемпературный карбид вольфрама заменен на высокотемпературный, в связи с чем разработаны и согласованы с поставщиками технические условия на высокотемпературный карбид вольфрама;

- операция спекания твердого сплава переведена с раздельного цикла в двух печах на полный цикл в одной вакуумно-компрессионной печи с корректировкой содержания углерода в твердом сплаве до необходимого уровня;

- характеристика магнитного насыщения твердого сплава включена в перечень параметров, контролируемых при производстве твердосплавных зубков.

6. Внесенные изменения в технологию изготовления твердосплавных зубков позволили обеспечить стабильно высокий уровень эксплуатационной стойкости зубков и существенно снизить издержки твердосплавного производства.

7. Разработаны новые марки твердого сплава ВК6С, ВК10С, ВК15С повышенной пластичности и трещиностойкости на основе высокотемпературного карбида вольфрама для изготовления твердосплавных зубков шарошечных долот, износостойкость которых не уступает, а в случае с ВК6С даже превосходит, характеристики применявшихся ранее сплавов.

8. В результате повышения пластичности и трещиностойкости твердосплавных зубков не только устранены случаи аварийных выходов из строя долот из-за слома зубков, но и значительно, до 60%, увеличена проходка долот, а также стали возможны более высокие скорости бурения за счет увеличения вылета зубков над телом шарошки (до 20-25 мм, вместо 8-12 по ТУ 48-4205-44-2002).

1. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спечённых твёрдых сплавов. Москва: Металлургия, 1976, 528 с.

2. Панов B.C., Чувилин A.M. Технология и свойства спечённых твёрдых сплавов и изделий из них. Москва: МИСИС, 2001, 428 с.

3. Креймер Г.С. Прочность твёрдых сплавов. Москва: Металлургия, 1971, 247 с.

4. Неупокоев В.Г. Вопросы теории и практики проектирования, производства и эксплуатации буровых долот. Самара: СГАУ, 2000, 376с.

5. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твёрдых сплавов. Киев: Наукова думка, 1984, 328 с.

6. Киффер Р., Бенезовский Ф. Твёрдые материалы, пер. с нем.

7. Москва:Металлургия, 1971, 392 с.

8. Нага A., Miyake М., //Planseebeer, Pulvermetallnrgie, 1970, Bd.3, №2

9. Lueth R.C. and Hale Т.Е. Compressive Strength of Cemented Carbide -Failure Mechanics and Testing Methods // Materials Research and Standars,r

10. M.T.R.S.A., Volume 10, Number 2, 1972.

11. Lueth R.C. An Analisis of Charpi Impact Testing as Applied to Cemented Carbides// A.S.T.M. Symposium on Instrumental Impact Testing, Juni, 1973.

12. Lueth R.C. A Study of Strength of Tangsten Carbide Cobalt from a Fracture Mechanics Viewpoint: PH.D. dissertation. Michigan State University, Juni, 1972.

13. Lueth R.C. Failure Mechanismus of Hard Metals in Rock Driling// Jornal of American Ceramic Society, 1974.

14. Креймер Г.С., Сафонова О.С., Богино Э.М. «Твёрдые сплавы». Москва: Металлургиздат,1959 (ВНИИТС, сб.№1).

15. Ивенсен В.А., Лосева С.С. //Порошковая металлургия, 1963, №3.

16. Ивенсен В.А., Эйдук О.Н., Артемьева С.И. «Твёрдые сплавы». Москва: Металлургия, 1969, (ВНИИТС, сб.№8).

17. Ивенсен В.А., ГольдбергЗ.А., Эйдук О.Н., Фальковский В.А. «Твёрдые сплавы». Москва: Металлургия, 1965 (ВНИИТС, сб.№6)

18. Третьяков В.И., Клячко Л.И. Твёрдые сплавы, тугоплавкие металлы, сверхтвёрдые материалы. Москва: ГУП из-во руда и металлы, 1999.

19. Панов B.C., Чувилин A.M., Фальковский В.А. Технология н свойства спечённых твёрдых сплавов и изделий из них: уч. пособие , 2-е изд. доп. и перераб. Москва: МИСИС, 2004.

20. Злобин Г.П. Формование изделий из порошков твёрдых сплавов. Москва: Металлургия, 1980.

21. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы порошковой металлургии, т. 1. Производство металлических порошков: уч. Пособие. Москва: МИСИС, 2001.

22. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы порошковой металлургии, т.2. Формование и спекание: уч. пособие. Москва: МИСИС, 2001.

23. Виноградов В.Н. и др. Долговечность буровых долот. Москва: «Недра», 1977.24