автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Совершенствование состава, структуры, технологии и применения твердых сплавов в производстве буровых шарошечных долот

На правах рукописи

ЗАХАРОВ Дмитрий Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ, ТЕХНОЛОГИИ И ПРИМЕНЕНИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ БУРОВЫХ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ

05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание учёной степени кандидата технических наук

2 8 АВГ 2014

005552056 Самара 2014

005552056

Работа выполнена на кафедре «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор

АМОСОВ Александр Петрович ПАНОВ Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», профессор кафедры «Порошковая металлургия и функциональные покрытия» ОГЛЕЗНЕВА Светлана Аркадьевна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», профессор кафедры «Порошковое материаловедение»

ФГБОУ ВПО «Тольяттинский

государственный университет», г. Тольятти

Защита состоится «15» октября 2014г. в 15.30 часов на заседании диссертационного совета Д.212.217.02 в Самарском государственном техническом университете по адресу: г.Самара, ул. Молодогвардейская, 141, корпус №6, ауд.ЗЗ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Самарского государственного технического университета www.samgtu.ru

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

Автореферат разослан « т^7» 0£ 2014 г.

Ученый секретарь

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

А.Ф. Денисенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

А1стуальноеть работы

Буровые шарошечные долота наиболее широко применяются при бурении скважин для добычи нефти, а также в горнорудной и геологоразведочной отраслях. Основными характеристиками их работы при бурении являются механическая скорость, стойкость и проходка. Современная ситуация на рынке долот заставляет стремиться к повышению данных показателей, чтобы выдержать конкуренцию отечественных и иностранных производителей.

В зависимости от условий бурения применяются определённые типы шарошечных долот с различным вооружением. Например, при бурении мягких и средних пород используются шарошечные долота как со штыревым (с твердосплавными зубками), так и с фрезерованным вооружением (со стальными зубьями, наплавленными твердым сплавом). В последнее время все большую долю рынка нефтедобычи стали занимать долота PDC (Polycrystalline Diamond Compact), оснащённые резцами из синтетического алмаза. Данный тип долот применим только при бурении мягких и средних пород, т.е преимущественно для нефтяных скважин, где они составляют всё большую конкуренцию шарошечным долотам.

Исследования по внедрению высокотемпературных карбидов вольфрама в производство буровых твердых сплавов и контроль углеродного баланса в них позволили частично повысить величину вылета зубков над телом шарошки и решить проблему сколов. Но для того, чтобы конкурировать с долотами PDC, нужно увеличивать показатели механической скорости при бурении. Для этого необходимо продолжать развиваться в направлении повышения агрессивности форм твердосплавных зубков, а также стремиться к улучшению качества наплавки зубьев фрезерованных долот.

При добыче на горнорудных карьерах применяются только штыревые шарошечные долота, так как здесь происходит бурение крепких и особо крепких пород в особо жестких условиях. Разрушение породы при их работе происходит в основном за счет ударно-скалывающего действия вооружения. В данном случае применяются наиболее простые формы зубков со сферической и сфероконической рабочей частью и увеличение их агрессивности практически неприемлемо. Поэтому здесь очень важно

поддерживать стабильно высокое качество твердосплавного вооружения, так как в условиях бурения даже при потере одного губка можно получить выход из строя целого долота.

Большую роль в процессе производства на любом машиностроительном предприятии, в том числе и в ОАО «Волгабурмаш», играет оснащение инструментом. Общее количество твердосплавных инструментов, применяемых в механообрабатывающем производстве, достигает 40 %. Поэтому инструмент должен обладать достаточной стойкостью, к тому же большая часть оснастки покупается по импорту, что приводит к большим капиталовложениям предприятия.

В этих условиях актуальным является повышение эффективности применения твердых сплавов в производстве буровых долот как за счет повышения качества твердого сплава для армирования буровых шарошечных долот (зубков и зернового наплавочного материала), так и за счет импортозамешения и повышения стойкости твердосплавной инструментальной оснастки, применяемой в производстве буровых шарошечных долот.

Цель работы и основные задачи исследований

Целью диссертационной работы является исследование факторов, влияющих на качество изготовления твердосплавных зубков, зернового твердого сплава для армирования стальных зубьев фрезерованных шарошек, твердосплавного инструмента, а также разработка технических мероприятий по повышению качества и эффективности применения твердых сплавов в производстве буровых долот.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Провести сравнительный анализ порошков высокотемпературного карбида вольфрама разных производителей. Исследовать влияние состава и структуры рассматриваемых порошков на свойства получаемых твердых сплавов.

2. Повысить характеристики существующих буровых твердых сплавов за счет разработки более совершенной технологии производства.

3. Оптимизировать процесс производства зернового твердого сплава, используемого для наплавки корпусов долот, с целью уменьшения дефектов в наплавленном слое и повышения износостойкости при бурении.

4. Исследовать влияние условий спекания твердого сплава с особо мелким зерном ВКЮ-ОМ на его структуру и свойства. Провести сравнительный анализ свойств твердого сплава ВКЮ-ОМ и бурового сплава ВК6С производства ОАО «Волгабурмаш».

5. Разработать новую марку твердого сплава с повышенной трещиностойкостыо для увеличения механической скорости при бурении.

6. Исследовать возможности повышения стойкости инструментальной оснастки из твердых сплавов за счет подбора оптимальной марки сплава.

7. Исследовать и испытать новейшие разработки в нанесении наноструктурных покрытий на основе СВС-катодов на режущий инструмент, применяемый в производстве буровых долот.

Научная новизна результатов исследования

1. Проведено сравнительное исследование свойств твердых сплавов на основе высокотемпературных карбидов вольфрама разных производителей. Выявлены существенные различия характеристик получаемых сплавов, подтвержденные анализом структуры исходных порошков карбида вольфрама методом растровой электронной микроскопии и гранулометрического состава.

2. Показано, что при разных способах восстановления исходного порошка вольфрама можно получить значительно отличающиеся свойства твердого сплава, несмотря на то, что карбид вольфрама получен по высокотемпературной технологии. Таким образом подтверждается эффект наследственности в порошковой металлургии.

3. Установлены способы повышения технологических свойств (насыпная плотность, текучесть) твердосплавных смесей за счет внедрения новой добавки к пластификатору и подбора режимов сушки распылением для каждой марки сплава.

4. Показаны оптимальные технологические режимы производства твердосплавных зубков для повышения однородности их микроструктуры. Улучшение характеристик получаемых сплавов подтвердилось результатами ударной стойкости зубков после испытаний на стенде в ужесточенных условиях.

5. Установлены технологические способы получения однородной структуры наплавочного зернового твердого сплава за счет изменения исходного углеродного баланса и режима спекания.

6. Обоснована необходимость применения более крупнозернистого высокотемпературного карбида вольфрама при неизменном содержании кобальта с целью создания твердого сплава с высокой пластичностью без существенной потери износостойкости. Характеристики данного сплава позволяют создавать более агрессивные формы зубков для увеличения механической скорости при бурении без риска сколов и сломов.

Практическая значимость результатов исследований

К Показано существенное различие свойств твердого сплава в зависимости от структуры и свойств исходного карбида вольфрама. Установлено, что для производства сплава высокого качества необходимо согласовывать способ получения исходного порошка вольфрама, а также гранулометрический состав получаемого карбида.

2. Впервые установлены технологические режимы процесса сушки распылением для каждой марки твердого сплава. Данное изменение внесено в технологическую инструкцию № 25265.00029.

3. Внесены изменения по операциям смешивания и спекания зернового твердого сплава и шаров для мокрого размола в технологические инструкции № 25265.00036 и № 25265.00034

4. Переработаны технические условия на высокотемпературные марки карбида вольфрама для изготовления твердосплавных зубков с введением новых марок \\'С2 и \УС11,5.

5. Переработаны технологический процесс №02265.00010 и инструкция №25265.00038 по изготовлению наплавочного зернового твердого сплава.

6. Разработана и введена в стандарт предприятия СТП 05749180-58207 новая марка бурового твердого сплава ВК15К с повышенной ударной вязкостью для повышения механической скорости при бурении.

7. Изменена марка сплава для изготовления формообразующих пуансонов с ВК25 на ВК15С, что позволило повысить ресурс их работы.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы были представлены на Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» (22.10.2010-24.10.2010, г.Самара), Всероссийской молодежной научной конференции «Металлургия и новые материалы»

(23.11.2010, г. Самара), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (22.11.2011-24.11.2011, г.Самара) и Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (02.07.2012 - 04.07.2012, г. Самара).

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 10 работах, пять из которых в изданиях перечня ВАК.

Объём и структура диссертации

Диссертация изложена на 203 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков, 46 таблиц и состоит из введения, семи разделов, заключения, списка использованных источников (124 наименования) и четырёх приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности диссертационной работы, цель и задачи исследований, обоснование практической значимости работы.

Первый раздел посвящен литературному обзору по твердым сплавам. Описаны тенденции в развитии твердосплавной промышленности, области применения твердых сплавов, а также пути повышения их свойств.

Рассмотрены современные технологии и оборудование в производстве твердых сплавов и изделий из них. Приведены основные производители твердых сплавов в России и их номенклатура изделий. Описана технология получения отечественных буровых сплавов К, КС, С, виды вооружения шарошечных долот для бурения различных типов пород.

Рассмотрены технология изготовления инструментальных твердых сплавов с особо мелким зерном, сплавов для упрочняющей наплавки деталей буровых долот, а также нанесение износостойких покрытий как эффективный метод повышения ресурса твердосплавных инструментов

Раздел заканчивается формулировкой задач для проведения настоящего диссертационного исследования.

Второй раздел посвящен выбору материалов и методик, приборов и оборудования, предназначенных для исследований. В разделе дана характеристика исходного сырья и материалов, используемых при изготовлении твердосплавных зубков и наплавочного материала.

Исследование исходных порошков карбида вольфрама проводилось с использованием растровой электронной микроскопии и анализа гранулометрического состава методом фотоседиментации.

Исследование качества спеченного твердого сплава проводилось с использованием разрушающих методов контроля: определение предела прочности при поперечном изгибе, испытание на циклическую ударную стойкость; неразрушающих методов контроля: определение магнитного насыщения на приборе LDJ Walker, рентгеноспектральный анализ. Исследование микроструктуры проводился на микроскопе фирмы Карл Цейс с помощью программного обеспечения S1AMS.

Приведено подробное описание технологического оборудования, задействованное в процессе изготовления твердосплавных зубков и наплавочного зернового твердого сплава в ОАО «Волгабурмаш»:

ЬАттриторы типа RMK. 250 фирмы «Tisoma», применяемые для смешивания и размола компонентов твердосплавной смеси.

2. Установка сушки распылением ЕН-250 для приготовления готовой гранулированной твердосплавной смеси.

3. Пресса типа ТРА-15, 'ГРА-35, ТРА-50 фирмы «Dorst» для прессования заготовок зубков буровых долот.

4. Печи предварительного спекания «General Electric», служащие для удаления пластификатора из зернового твердого сплава для наплавки.

5. Печи окончательного спекания «General Electric» для окончательного спекания зернового твердого сплава для наплавки

6. Печь вакуумного спекания «Vacuum Industries» для окончательного спекания твердого сплава.

7. Вакуумно-компрессионные печи типа VKPgr 50/50/90 и VKPgr 50/50/150 фирмы «ALD Technologies», применяемые как для удаления пластификатора, так и для окончательного спекания твердосплавных зубков.

8. Прокатный стан «Stoody» для изготовления наплавочных электродов.

9. Обрабатывающий центр с ЧПУ ¡V1CV-500 для изготовления электродов для электроэрозионной обработки заготовок твердосплавных пуансонов.

В третьем разделе содержатся результаты исследования порошков карбида вольфрама различных производителей марки WC7 (средний 8

размер зерна 6,0-8.0мкм.) для изготовления сплава ВК10С и ВК15С и марки WC3 (средний размер зерна 2,5-3,5 мкм.) для изготовления сплава ВК6С. Исследовались порошки производства ОАО «КЗТС», г. Кировград; ОАО «Победит», г. Владикавказ; «Ganzhou Huaxing Tungsten Products Co., LTD», Китай и ЗАО «Вольфрам», г. Брянск. Все исследуемые образцы подвергались дополнительному лабораторному помолу с целью оценки прочности зерен карбидов.

В результате исследования топографии поверхности частиц порошков карбида вольфрама марки WC7 производства ОАО «КЗТС» (рис. 1) с помощью растровой электронной микроскопии были обнаружены конгломераты мелких частиц, размером менее 3 мкм, готовых раздробиться на более мелкие частицы, т.е. исходные зерна карбида не достаточно прочны.

Рисунок I - Структура карбидов вольфрама WC7 ОАО «КЗТС» (слева)

и Китай (справа)

Структура частиц порошка карбида вольфрама марки WC7 производства «Ganzhou Huaxing Tungsten Products Co., LTD», Китай представленная на рис. 1 оказалась более однородной. На снимке присутствуют мелкие частицы размером около 0.6 мкм в небольшом количестве, но основную долю составляют частицы с монокристаллической структурой размером около 3,5 мкм.

Анализ изображений топографии частиц порошков карбида вольфрама другой марки WC3 (средний размер зерна 2,5-3,5 мкм) производства ОАО «КЗТС» и «Ganzhou Huaxing Tungsten Products Co., LTD», Китай, показал обратную картину - наличие конгломератов в порошке китайского производства, которые при мокром размоле распадаются на более мелкие частицы. В порошке ОАО «КЗТС» конгломератов нет, есть отдельные

монокристаплические частицы. Эти результаты объясняют более высокое качество сплава ВК10С на основе карбида \УС7 производства ОАО «КЗТС» по сравнению с китайским и, наоборот, - более высокое качество сплава ВК6С на основе китайского карбида \\/СЗ по сравнению с карбидом ОАО «КЗТС».

Испытания рассматриваемых партий карбидов вольфрама в промышленных условиях показали существенные различия по параметру коэрцитивности, характеризующему дисперсность сплава. Так анализ образца партии твердого сплава ВК10С изготовленной из порошка \УС7 производства ОАО «КЗТС» выявил отклонение - завышенное значение коэрцитивности, указывающее на получение мелкозернистой структуры сплава. Это является нежелательным фактором для зубков из сплава ВК10С, так как при измельчении зерен уменьшается толщина кобальтовых прослоек, а, следовательно, и работа разрушения сплава. Анализ образца партии твердого сплава ВК6С изготовленной из порошка \УС7 производства ОАО «КЗТС» напротив выявил отклонение по заниженному значению коэрцитивности. Это подтвердило тот факт, что даже после продолжительного мокрого размола зерна данного порошка практически не измельчаются, что говорит об их высокой прочности. Но для зубков из ВК6С снижение коэрцитивности ведет к уменьшению износостойкости зубков, что нежелательно, т.к. данные зубки испытывают при бурении преимущественно абразивный износ.

С целью выяснения причин возникновения разницы в структуре порошков была проведена работа по установлению зависимости свойств порошков карбида вольфрама и твердых сплавов от технологии получения исходного порошка вольфрама.

На ОАО «КЗТС» были изготовлены 3 партии карбидов вольфрама марки \УС7 с разными методами получения. Из данных партий по стандартным технологическим режимам изготавливались партии твердого сплава ВК10С. Результаты показали, что техническим требованиям для сплава ВК10С удовлетворяет только партия изготовленная из вольфрама с повышенной температурой восстановления, которая позволяет получить и сам порошок вольфрама, и карбид из него с более совершенной кристаллической структурой. Таким образом, на данном примере подтверждается эффект наследственности.

Для решения проблемы заниженной коэрцитивное™ в сплаве ВК6С из карбида вольфрама \К'СЗ было принято решение применить исходный порошок карбида вольфрама с меньшим размером зерна, а также согласованы с несколькими производителями технические условия на производство новой марки высокотемпературного карбида вольфрама \УС2 со средним размером зерна 1,5-2,0 мкм.

Анализ свойства и микроструктуры образцов сплава ВК6С изготовленных из такого карбида \\'С2 показал, что на образцах ВК6С из карбида производства нового поставщика «Тае§иТес» Ю. Корея даже при минимальном времени обработки в аттриторах (мокром размоле) проявился обратный эффект в виде завышенной коэрцитивности. На образце сплава ВК6С из карбида \УС2 производства ОАО «КЗТС» физические свойства соответствовали техническим требованиям. Структура полученного сплава ВК6С из \УС2 (Ю. Корея) оказалась более мелкозернистой, с наличием дефектов в виде крупных кристаллов размером до 48 мкм, т.е. в 2 раза больше допустимого. У образца сплава ВК6С ОАО «КЗТС» структура была однородная и не столь мелкозернистая, с присутствием больших кристаллов с размерами допустимыми по техническим требованиям.

С целью выяснения такой разницы в свойствах полученных сплавов ВК6С проводился дополнительный анализ изображения . топографии поверхности частиц карбида вольфрама марки \ЧС2, который показал, что порошок карбида корейского производства состоит из множества конгломератов частиц размером менее 1 мкм. Данные конгломераты могут разрушаться во время мокрого размола и образовывать большое количество мелких частиц, которые осаждаясь на более крупных частицах во время спекания формируют большие кристаллы в структуре твердого сплава. Образец сплава ВК6С из карбида \УС2 ОАО «КЗТС» более однородный без конгломератов и состоит из монолитных частиц размером порядка 1,5 мкм.

Анализ гранулометрического состава карбидов ШС2 также выявил значительную неоднородность образца корейского производителя.

На основе полученных результатов были сделаны выводы о необходимости внесения в технические условия на карбиды вольфрама марок \УС2, \УСЗ и \\^С7 следующих параметров:

!) Режимы восстановления исходного порошка вольфрама (оговаривать технологию получения);

2) Гранулометрический состав порошка карбида вольфрама.

В четвертом разделе рассматриваются пути повышения характеристик существующих буровых твердых сплавов за счет совершенствования технологии режимов их изготовления.

Одной из основных операций в производстве спеченных твердых сплавов является приготовление смесей из исходных компонентов -операция мокрого размола-смешивания. Практика показывает, что от качества проведенной операции смешивания в значительной степени зависят свойства конечного продукта.

Установлено, что увеличение времени размола благоприятно влияет на однородность структуры, но при этом возможно изменение физико-механических свойств, влияющих на эксплуатационную стойкость твердосплавного вооружения. Рассматривая партии твердого сплава на основе карбида вольфрама \УС7(ОАО «КЗТС») в 3 разделе было выяснено, что из-за низкой прочности частиц порошка карбида зерна сильно измельчались при размоле. Это в свою очередь приводило к увеличению значения коэрцитивной силы, т.е. измельчению толщины кобальтовой прослойки.

Для буровых сплавов очень важно сохранить однородный набор зерен карбидной фазы при достаточной толщине кобальтовой прослойки, т.к. толщина прослойки в основном определяет трещиностойкость сплава. Поэтому была проведена работа по установлению оптимального режима мокрого размола-смешивания для партий твердосплавных смесей ВК10С на основе карбидов вольфрама разных производителей. Изготавливались твердосплавные смеси с одинаковым составом шихты, но с различным временем обработки в атгриторах, после спекания устанавливалась зависимость свойств спеченного сплава от режимов смешивания. Результаты этой работы показали, что с увеличением времени размола-смешивания структура сплава становится более однородной, значения коэрцитивности практически не изменились, что говорит о хорошей прочности частиц карбида вольфрама. Значения предела прочности на изгиб возросли с увеличением времени размола. При оптимальном времени мокрого размола - 7 часов получается однородная структура твердого сплава с достаточно ровным набором зерен карбида вольфрама за счет 12

лучшего смешивания. Дальнейшее увеличение времени смешивания не приводило к существенному повышению свойств, а только увеличивало энергозатраты.

Следующая операция, рассмотренная в данном разделе - операция сушки распылением. Основное назначение данной операции получение сферических гранул порошка для последующего формования изделий. Для прессования твердосплавных зубков получаемые гранулы должны иметь однородный состав и размер. Чем однороднее состав гранул, тем лучше технологические свойства смеси - насыпная плотность и текучесть порошка в пресс-форму. С целью улучшения данных параметров была испытана новая пластифицирующая добавка, улучшающая процесс образования гранул - стеариновая кислота. Показано, что свойства экспериментальных партий с ее применением повысились в среднем на 11 %. Также проводились исследования по оптимизации режимов сушки распыления, а именно давления распыления и диаметров форсунки (дюзы).

Гранулы, полученные по новому режиму, были однородными и имели сферическую форму в отличие от гранул, полученных при старых режимах сушки распылением, в состав которых входили частицы дендритной и осколочной формы затрудняющие течение порошка в пресс-форме.

Далее в данном разделе рассмотрены особенности операции прессования. В структуре спеченного сплава периодически обнаруживались скопления кобальтовой связки (компаундирование). Теоретически это неоднородность структуры, означающая, что в какой-то части объема сплав обеднен кобальтом и там возможно образование концентраторов напряжений.

Причиной появления ликвации кобальта предположительно явилось сохранение остаточной пористости после вакуумного спекания, которая при газостатировании превращается в кобальтовое озеро из-за затекания жидкого кобальта в пору под высоким давлением аргона. Данная пористость образуется из-за недостаточной пропрессовки пластифицированных полых гранул в виде зазора между ними. Ранее это приводило к образованию пористости после спекания, сейчас - к компаундированию.

Поэтому была проведена работа по установлению новых наладочных параметров операции прессования зубков для сплава ВК10С - повышение плотности прессовки с 8,45 г/см3 до 8,62 г/см ' и изменение параметра

13

движения прессования с 4 до ! мм. Максимальная плотность прессования ограничивалась получаемыми дефектами прессовки - образованием расслойных трещин.

В результате проведенной работы были определены режимы прессования, при применении которых значительно уменьшалась вероятность появления дефекта компаундирования в структуре.

Улучшение характеристик сплава после применения новых технологических режимов было подтверждено хорошими результатами циклической стойкости зубков, даже при ужесточении режимов нагружения. Результаты сравнительных испытаний на ударную циклическую стойкость зубков производства ОАО «Волгабурмаш» с зубками других производителей показали лучшие результаты, чем у зубков фирм «Marshall» и «Boartlongyear» и оказались на уровне с зубками ведущей американской компании «RTW».

В пятом разделе рассматривается совершенствование режимов спекания для наплавочного зернового твердого сплава и сплава с особо мелким зерном ВКЮ-ОМ.

Согласно действующему технологическому процессу спекание зернового твердого сплава производилось в нормализующей засыпке из электрокорунда белого марки 25А в проходных печах в атмосфере водорода. После спекания в засыпке микроструктура частиц получается нестабильной. Зачастую, в микроструктуре гранул можно обнаружить дефекты в виде крупных пор и присутствие г|-фазы (двойной сложный карбид (CoW)3C - очень хрупкое соединение) Эти дефекты структуры снижают износостойкость и ударную прочность частиц, что приводит к сокращению срока службы долот.

Такая атмосфера спекания как водород это активный газ сильно

обезуглероживающий твердый сплав при высоких температурах. К тому же у частиц зернового твердого сплава очень высокая удельная поверхность. Поэтому в структуре обнаруживалась П"фаза и сплав имел трехфазную структуру. Пористость сплава также обусловлена водородным спеканием. Поэтому для уменьшения пористости применили вакуумное спекание, при котором происходит лучшее смачивание зерен карбидной фазы кобальтом. Структура зернового сплава, которая получена в производстве при спекании в вакууме показала отсутствие крупных пор, но

наличие Т]-фазы в структуре. Сплав также получился обезуглероженным, по в меньшей стеиени, исходя из данных по магнитному насыщению (содержанию общего углерода) он находится на границе между двухфазной и трехфазной областью. Для исключения появления т]-фазы в структуре была проведена работа по насыщению избытком углерода исходной шихты на 0,13 % (6,25 % в карбиде), т.е. на процент потери углерода сплавом во время спекания. В результате была получена наиболее однородная структура без крупных пор и вредной хрупкой т]-фазы.

Далее рассматривалось спекание образца сплава с особо мелким зерном ВКЮ-ОМ для исследования возможности использования этого сплава в производстве зубков буровых долот. Исследовались свойства образца твердосплавной смеси ВКЮ-ОМ производства ОАО «КЗТС» после

спекания по различным режимам. При спекании по режиму производителя результат получился отрицательный - большие включения г|-фазы и низкий предел прочности на изгиб, пористость В2-ВЗ. Для снижения обезуглероживания были применены режимы 2 и 3 с увеличением времени продвижки и изменением состава засыпки, что привело к незначительному повышению свойств. Спекание по режиму 4 в вакууме позволило получить неплохое сочетание твердости и предела прочности на изгиб, но в структуре присутствовали включения г]-фазы и пористость ВЗ. Спекание с газостатированием по режимам 5, 6 позволило избавиться от пористости В.

1850 1750 1650 Í 1550

D

ш 1J50 х

; 1350 I 1250

1 1IS° I 1050

а.

= 950 5 850

650 550

89.5 90 90.5 91 91.5

Твердость, HRA

Рисунок 2 - График зависимости предела прочности на изгиб от твердости образцов ВКЮ-ОМ спеченных по разным режимам

График, представленный на рис. 2 показывает, что оптимальным режимом с сочетанием высокой твердости и прочности на изгиб является режим 5 - спекание в вакуумно-компрессионной печи с пониженным давлением аргона. Но даже при этом режиме в структуре обнаружены мелкие включения г|-фазы неприемлемой при изготовлении твердосплавных зубков шарошечных долот. Результаты сравнительного анализа свойств образцов сплава ВК10-С1М и сплава ВК6С показали, что значения твердости образцов сплава ВК6С выше, чем у образцов ВК 10-ОМ, спеченных по оптимальному режиму. У образцов ВК6С значения данного параметра оказались в 2 раза выше, чем у образцов сплава ВК 10-ОМ. Т.е. сочетание ключевых свойств - твердости и предела прочности у образцов сплава ВК6С лучше чем у ВКЮ-ОМ. Это позволяет считать сплав ВК6С из карбида вольфрама марки WC2 перспективным для производства заготовок режушего инструмента фрез, сверл и режущих пластин.

В шестом разделе рассматривалось решение задачи по разработке твердого сплава с повышенной трещиностойкостью для повышения механической скорости при бурении. Описаны основные механизмы износа твердосплавных зубков при бурении. Показано, что проблема разрушения зубков в результате образования поверхностной трещины может быть решена, благодаря переходу к материалу с более высокой трещиностойкостью (ударной вязкостью К1с) Применение сплава с высокой трещиностойкостью позволяет задерживать трещины на стадии их развития и не давать им развиваться дальше, тем самым продлевая срок службы долота.

Для увеличения показателей механической скорости некоторых типов долот необходимо было изменить форму зубка - сделать ее более агрессивной, при этом материал зубка должен обладать повышенной ударной вязкостью с сохранением достаточной износостойкости. Традиционным способом повышения К1с описанным в литературе является увеличение содержания кобальта. Но повышение содержания кобальта в сплаве при неизменном размере зерна карбидной фазы ведет к снижению износостойкости твердосплавного вооружения долота Износостойкость сплавов со средним и крупным зерном можно повысить, не изменяя содержание кобальта, а увеличивая размер исходного зерна карбида вольфрама. Это объясняется тем, что при увеличении размера зерна карбидной фазы объемная доля \УС возрастает по отношению к объемной 16

доле кобальта. Поэтому доля износостойкой составляющей сплава (карбида вольфрама) возрастает. При этом толщина кобальтовых прослоек А. достаточно велика, чтобы противостоять распространению трещины. Поэтому мы разработали сплав ВК15К изготовленный из высокотемпературного карбида вольфрама с размером зерна ! 1,5 мкм. Представлены результаты сравнительного анализа сзойстб сплава ВК15К со сплавами ВК15С, ВК16С и ВК25. Из этих данных следует, что твердость образца ВК15К ненамного меньше чем у ВК15С, но при сравнении толщины кобальтовой прослойки и микроструктур сплавов представленных на рис. 3 видно, что у ВК15К прослойки кобальта крупнее с большей способностью сопротивляться трешинообразованию.

' 1 1

Рисунок 3 - Структура сплавов ВК15С (слева) и ВК15К (справа), х1500

Таким образом, было получено необходимое сочетание износостойкости и трещиностойкости в сплаве ВК15К.

Результаты испытаний ударной стойкости зубков с аналогичными геометрическими параметрами из разных сплавов показали, что зубок из нового сплава ВК15К успешно прошел испытания при больших давлениях, чем другие зубки.

Как известно, механическая скорость работы долота зависит от величины вылета зубка над телом шарошки (рабочей части зубка) и от величины угла при вершине, т.е. чем острее угол, тем больше скорость бурения. Поэтому разработка сплава ВК15К позволила изменить конструкцию зубка для повышения механической скорости бурения, без ущерба пластичности. Долота И929-3 с применением нового сплава отрабатывались при бурении в Сирии и показали себя стабильно положительно.

В седьмом разделе рассмотрены технические мероприятия по повышению эффективности работы твердосплавной инструментальной оснастки, используемой дпя производства комплектующих буровых долог. Рассмотрены характерные особенности износа пуансонов для прессования зубков. Во время прессования порошок твердосплавной смеси, как достаточно сильный абразив, воздействует на контактирующую с ним поверхность пуансона. Это приводит к образованию шероховатости в вершине профиля пуансона после многократного прессования. На заготовках зубков это проявлялось в «непропрессовке» в вершине зубка. После спекания на таких зубках в вершине обнаруживались дефекты в виде крупных пор, которые являются концентраторами напряжений в условиях ударных нагрузок. Это подтверждалось результатами испытаний на циклическую стойкость таких зубков - все они имели характерный износ в виде выкрашивания твердого сплава в вершине зубков.

В связи с этим было принято решение заменить сплав ВК25, из которого изготавливают пуансоны на более износостойкий ВК15С. Испытания оснастки показали, что ресурс пуансонов из сплава ВК15С в два-три раза превысил ресурс пуансонов из сплава ВК25 без ущерба пластичности, приводящего к сколу острых кромок. Это изменение дополнительно дало экономический эффект, заключающийся в снижении затрат на дорогостоящий порошок кобальта.

Далее рассмотрен процесс износа отрезных резцов для изготовления наплавочных электродов. Известно, что одним из основных факторов, определяющих работоспособность отрезных резцов, является их жесткость. Было установлено, что резцы изнашивались и скалывались по причине попадания между ними абразивных частиц материалов шихты. Поэтому необходимо было применить сплав с высокой износостойкостью без значительной потери ударной вязкости. Впервые для этого вместо ВК9 был применен сплав ВК6С. Благодаря усовершенствованием технологий смешивания и спекания, с получением практически беспористой однородной структуры удалось получать сплав со значениями предела прочности до 3100 МПа, что в 2 раза превышает показатели сплава ВК6 по ГОСТ 3882-74.

После сравнительных испытаний было выяснено, что ресурс работы резцов из ВК6С оказался в 10 раз выше чем из ВК9.

Далее представлены результаты отработки твердосплавных фрез с новым наноструктурным покрытием, изготовленных на основе СВС-катодов многокомпонентного состава. Установлено, что применение данных покрытий значительно повышает ресурс работы фрез и приближает его к ресурсу фрез зарубежного производства при меньшей стоимости.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В условиях острой конкуренции на рынке буровых долот актуальным является совершенствование состава, структуры и технологии твердого сплава для армирования буровых шарошечных долот (зубков и зернового наплавочного материала), а также повышение стойкости и импортозамещения твердосплавной инструментальной оснастки, применяемой в производстве буровых долот.

2. При анализе структуры порошков карбида вольфрама марок \УСЗ и \УС7 от разных производителей показано, что средний размер зерна в порошке карбида вольфрама не является достаточным показателем для получения необходимой зернистости сплава. Предложено дополнить технические условия на карбиды вольфрама марок \УСЗ, ШС2 и \УС7 требованиями по гранулометрическому составу.

3. Установлено, что применение высокотемпературных карбидов не всегда гарантирует получение оптимальных свойств твердосплавных зубков. Выяснено, что конечные свойства зубков зависят и от технологии получения исходного порошка вольфрама, что свидетельствует о проявлении эффекта наследственности в буровых твердых сплавах.

Установлено оптимальное время мокрого размола-смешивания -7 часов для сплава ВК10С, позволяющее получать высокие показатели свойств и наиболее однородную микроструктуру твердого сплава.

4. Разработаны оптимальные технологические режимы процесса сушки распылением твердосплавных смесей различных марок. Разработана новая добавка к пластификатору - стеариновая кислота Т-32 ГОСТ6484-961, применение которой позволило улучшить технологические свойства твердосплавных смесей (насыпную плотность и текучесть) в среднем на 11 %.

6. Усовершенствованы режимы формования твердосплавных зубков (ограничено движение прессования - 1 мм, увеличена плотность прессования - 8,62 г/см3), позволяющие получать более однородную микроструктуру твердого сплава ПК ЮС с практически полным исключением дефекта компаундирования (скопления кобальтовой фазы).

7. Усовершенствованы технологические режимы, позволяющие получать наплавочный материал с минимальной пористостью и без дефекта г|-фаза: откорректирован углеродный баланс до значения Собщ =6,25% в карбиде вольфрама и применен режим вакуумного спекания зернового твердого сплава

8. Показано, что сплав с особо мелким зерном ВКЮ-ОМ не подходит для зубков калибрующего конуса шарошек буровых долот из-за наличия хрупкой т]-фазы. Проведено сравнение свойств сплава ВКЮ-ОМ и ВК6С на основе карбида вольфрама новой марки МС2, показавшего перспективность последнего сплава для производства заготовок режущего инструмента.

9. Разработан новый сплав ВК15К с использованием более крупнозернистого карбида вольфрама (средний размер зерна 11,5 мкм) с высокой трешиностойкостью и износостойкостью для бурения мягких и средних пород. Применение данного сплава позволяет конструировать зубки с более агрессивной формой для повышения механической скорости бурения без риска скола вооружения.

10. Показано, что применение новых марок твердых сплавов на основе высокотемпературных карбидов вольфрама для производства инструментов значительно повышает их стойкость. Проведены испытания твердосплавных фрез с новыми наноструктурированными покрытиями на основе СВС-катодов многокомпонентного состава. Установлено, что применение данных покрытий значительно повышает ресурс работы фрез и приближает его к ресурсу фрез зарубежного производства при меньшей стоимости.

11. В целом в диссертации изложены новые научно-обоснованные технические и технологические решения по совершенствованию состава, технологии изготовления и применения твердых сплавов для армирования буровых долот и в инструментальной оснастке, имеющие существенное значение для развития страны.

Основное содержание диссертации представлено в работах:

В изданиях из перечня ВАК:

1. Захаров, Д.А. Влияние условий спекания твердого сплава ВК10-ОМ на его структуру и свойства [Текст] / Д.А. Захароз, А.П. Амосов // Вестник СамГТУ. 20 i 1. - № 3. - С. 110-115.

2. Захаров, Д.А. Влияние режимов смешивания порошков на структуру и физико-механические свойства твердого сплава ВК10С [Текст] / Д.А. Захаров, A.B. Сальников // Вестник СамГТУ. - 2013. - № 2,-С. 79-83.

3. Амосов, А.П. Оптимизация технологии изготовления наплавочного зернового твердого сплава с однородной структурой и низкой остаточной пористостью [Текст] / А.П. Амосов, Д.А. Захаров, A.B. Сальников // Известия Вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. -2013. -№ 2. -С. 25-28.

4. Захаров, Д.А. Повышение эффективности твердых сплавов в производстве буровых долот [Текст] / Д.А. Захаров, A.B. Сальников // Наукоёмкие технологии в машиностроении. -2013. —№ 8. - С. 10-19.

5. Захаров, Д.А. О буровых твердых сплавах на основе высокотемпературных карбидов вольфрама [Текст] / Д.А. Захаров, А.П. Амосов, A.B. Сальников, М.А. Сальников // Известия Вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2014. - № 1,-С. 29-34.

В другие изданиях:

6. Захаров, Д.А. Исследование опытного твердого сплава с повышенной трешиностойкостью для оснащения буровых шарошечных долот [Текст] / Д.А. Захаров, А.П. Амосов, A.B. Сальников // Высокие технологии в машиностроении. СамГТУ.-2010.-С. 199-201.

7. Захаров, Д-А. Исследование возможностей увеличения механической скорости шарошечных долот за счет изменения структуры твердого сплава [Текст] / Д.А. Захаров, А.В.Сальников // Металлургия и новые материалы: мат-лы Всероссийской (инновационной) молодежной научной конф. СГАУ 2010. - С. 30-33.

8. Захаров, Д.А. Исследование зависимости физико-химических свойств порошка карбида вольфрама от температуры карбидизации [Текст] / Д.А. Захаров, А.Р. Самборук // Наука. Технологии. Инновации:

материалы вссрос. науч. конф. молодых ученых в 7-ти частях Новосибирск: Изд-во НГГУ. 2008. - Ч. 2. - С. 65-67.

9. Захаров, Д.Д. Упрочнение твердосплавных фрез ионно-плазменным покрытием (TiAlSi)N из катодов марки СВС [Текст] / Д.А. Захаров, А. А Ермошкин, А.П. Амосов, В.Н. Лавро // Известия Самарского научного центра РАН. 2011. №4(3). Приложение. - Т. 13. — С. 119-120.

10. Захаров, Д.А. Применение бурового твердого сплава ВК6С для повышения ресурса отрезных резцов [Текст] / Д.А. Захаров, A.B. Сальников, А.П. Амосов // Физика прочности и пластичности материалов : сб.тезисов. 2012. - С. 68.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.02 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (протокол № 66 от " 2 " июля 2014 г.)

Заказ №(£^5Тираж 100 экз.

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