«Совершенствование состава, структуры, технологии и применения твердых сплавов в производстве буровых шарошечных долот ...»

Самарский государственный технический

университет

На правах рукописи

Захаров Дмитрий Александрович

Совершенствование состава, структуры, технологии и применения твердых

сплавов в производстве буровых шарошечных долот

05.16.09 – Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель Д.ф.-м.н., профессор Амосов Александр Петрович Самара - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 1. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ 1.1. Пути повышения свойств твердых сплавов 1.2. Современные технологии и оборудование в производстве твердых сплавов и изделий из них 1.2.1. Технологические режимы приготовления смесей 1.2.2. Прессование и прессовое оборудование 1.2.3. Нагревательное оборудование для производства твердых сплавов 1.3. Высокотемпературные карбиды и влияние условий получения порошков карбида вольфрама на свойства сплавов WC-Co 1.4. Составы, технология, свойства и области применения сплавов, изготовленных по высокотемпературной технологии 1.4.1. Технология получения отечественных буровых сплавов К, КС, С 1.4.2. Твердые сплавы в буровых долотах.

Сплавы для горных работ 1.4.3. Вооружение шарошечных долот 1.5. Твердые сплавы для наплавки.

Составы, технология, свойства. 1.6. Инструменты из твердого сплава 1.7. Твердые сплавы с особо мелким зерном 1.7.1. Наноструктурные и ультрамелкозернистые твердые сплавы 1.7.2. Особомелкозернистые сплавы ВК10-ОМ и ВК15-ОМ 1.8. Технология нанесения износостойких покрытий как эффективный метод повышения ресурса твердосплавных инструментов

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Материалы: сырье и вспомогательные материалы 2.1.1. Технический углерод 2.1.2. Порошок кобальта 2.1.3. Порошок карбида вольфрама 2.1.4. Гранулированный твердосплавный порошок 2.1.5. Парафин нефтяной 2.1.6. Заготовки электродов из сплава ВМ 2.2. Методики исследования сырья и готовых изделий 2.2.1. Метод определения общего углерода 2.2.2. Метод определения насыпной плотности и текучести 2.2.3. Определение гранулометрического состава металлических порошков методом седиментации 2.2.4. Метод определения предела прочности на изгиб 2.2.5. Методика определения магнитных характеристик твердых сплавов 2.2.6. Методика проведения испытаний циклической 2.2.7. Метод растровой электронной микроскопии (РЭМ) 2.2.6. Система компьютерного анализа изображений

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ И СОСТАВА ПОРОШКОВ

КАРБИДА ВОЛЬФРАМА НА СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

3.1. Исследование структуры порошков 3.2. Испытания порошков карбида вольфрама 3.3. Исследование гранулометрического

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПРОИЗВОДСТВА

СУЩЕСТВУЮЩИХ БУРОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

4.1. Оптимизация времени размола-смешивания 4.2. Процесс сушки распылением твердосплавных смесей 4.2.1. Особенности технологии. Возможности повышения 4.2.2.1. Исследование влияния новой добавки к 4.2.2.2. Оптимизация режимов сушки распылением для 4.3. Усовершенствование технологии формования твердосплавных зубков с целью получения более однородной микроструктуры

5. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖИМОВ СПЕКАНИЯ ЗЕРНОВОГО

5.1.Оптимизация процесса изготовления зернового твердого сплава с целью улучшения эксплуатационных свойств 5.2. Исследование влияния условий спекания твердого 5.3. Сравнительный анализ характеристик твердых сплавов

6. РАЗРАБОТКА НОВОГО БУРОВОГО ТВЕРДОГО СПЛАВА С

ПОВЫШЕННОЙ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬЮ

7. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ

ОСНАСТКИ ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

7.1. Исследование работы твердосплавной прессовой оснастки и подбор оптимальной марки сплава для ее изготовления 7.2. Применение новой марки твердого сплава в производстве 7.3. Применение новых наноструктурных покрытий на

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ

Буровые долота - это инструмент, предназначенный для разрушения горных пород на забое и образования скважин при бурении на нефть и газ, в также взрывных скважин при проведении строительных работ. Буровые долота работают в крайне тяжелых условиях. От работоспособности долота зависят основные технико-экономические показатели проходки скважины. Наиболее распространенным видом буровых долот являются шарошечные долота [1, 2].

Шарошечные долота представляют собой неразборную конструкцию, состоящую из сваренных между собой отдельных секций (лап), на цапфах которых смонтированы свободно вращающиеся на опорах конусообразные шарошки с породоразрушающими фрезерованными зубьями или вставными твердосплавными зубками в соответствии с рис. 1.

Рисунок 1 – Общий вид шарошечного долота с твердосплавным вооружением[1] В России одним из крупнейших предприятий по производству буровых долот является ОАО «Волгабурмаш» (ОАО ВБМ), г.Самара [3-6]. Продукция предприятия поставляется также в страны ближнего и дальнего зарубежья. В условиях острой конкурентной борьбы с отечественными и зарубежными производителями буровых долот, первостепенное значение приобретает качество буровых долот, их способность безаварийно работать при бурении [6-8, 23].

Поэтому для повышения качества буровых долот в ОАО «Волгабурмаш»

постоянно внедряются научно-технические разработки [9-28]. В частности, при создании новых конструкций долот используются принципы научно обоснованного выбора и проектирования новых видов вооружения шарошек, сочетающихся с выбором наиболее эффективных схем с учетом динамических свойств опоры [22].

Внедрена технология ультразвуковой запрессовки зубков шарошечных долот путем применения режима схватывания, а также модель адаптивного управления процессом запрессовки на основе динамических характеристик формируемых соединений [9, 25-28]. Рассмотрены новые технологии селективной упорядоченной сборки буровых шарошечных долот[10, Проведены сравнительные исследования металлургического качества сталей буровых долот отечественного и зарубежного производства [14-20]. Разработан и внедрен новый метод испытания твердосплавных зубков на циклическую стойкость, а также ряд других эксплуатационных характеристик [11, 12, 24] Многолетние исследования показывают, что работоспособность и безотказность шарошечных долот определяется не только конструкцией, качеством материалов и сборки долот, но и качеством изготовления твердосплавного вооружения. Это вполне понятно, если учесть, что долговечность и эффективность работы инструмента при прочих равных условиях зависит, в первую очередь, от качества материала, контактирующего с породой.

Учитывая, что большинство шарошечных долот выходит из строя в основном по 2-м причинам: 1) выход из строя опоры долота и 2) износ вооружения - становится понятным, насколько сильное влияние на стойкость долота оказывает качество изготовления твердосплавных зубков и наплавленного слоя при работоспособной опоре [4].

В настоящее время трехшарошечные долота с твердосплавным вооружением в основном применяются на горнорудных карьерах, то есть при бурении крепких и особо крепких пород – с коэффициентом крепости равным от 15 до 20 по шкале Протодьяконова [34].

По характеру воздействия на горную породу долота условно подразделяют на дробящие, дробяще-скалывающие, истирающе-режущие и режуще-скалывающие.

При бурении трехшарошечными долотами в основном превалирует механизм дробящее-скалывающего воздействия на породу. При этом твердосплавные зубки подвергаются в основном двум видам разрушающего воздействия - абразивному изнашиванию и усталостному разрушению (хрупкие сколы). Предпочтительным срабатыванием твердосплавных зубков при бурении является постепенный износ, без сколов и сломов.

В работах [29-32] проводились исследования по повышению качества твердосплавного вооружения. В них решились вопросы повышения трещиностойкости твердых сплавов путем регулирования углеродного баланса в сплаве, а также за счет применения высокотемпературных карбидов вольфрама, обладающих большим запасом прочности зерен.

Но в условиях постоянной конкуренции на рынке долот, в первую очередь, связанную с появлением так называемых «алмазных» долот PDC (Polycrystalline Diamond Сompact), возрастают требования к таким показателям как механическая скорость и проходка. Поэтому большое внимание должно быть уделено и совершенствованию конструкции твердосплавного вооружения, а именно агрессивности его формы. Иными словами, для повышения основных показателей при бурении необходимо увеличивать вылет зубков над телом шарошки, изготавливать зубки с более острыми углами при вершине, с усложнением общей формы рабочей части и т.д. Но спроектировать зубок не означает, что его легко изготовить в условиях производства. Зачастую изготовление зубков с агрессивной формой достаточно трудоемкая задача – из-за того, что необходимо не только подобрать или разработать необходимую марку сплава для производства нового зубка, но и решить ряд других задач. Это изготовление для каждого нового типоразмера зубка индивидуальной инструментальной оснастки (формообразующих пуансонов), подбор технологических режимов изготовления твердосплавных смесей (режимы смешивания, сушки распылением), прессования, спекания и т.д. Эта проблема предопределила одну из основных задач диссертационного исследования.

Предприятие ОАО ВБМ производит 3 основных типа долота: 1) шарошечные долота с твердосплавным вооружением (общий вид представлен на рис.1); 2) шарошечные долота со стальным вооружением, наплавленным твердым сплавом (рис.2) и 3) алмазные долота PDC - долота со стальным корпусом, упрочненным наплавленным твердосплавным слоем, оснащенные поликристаллическими алмазными вставками типа PDC.

Рисунок. 2 - Долото со стальным фрезерованным вооружением 444,5 AU-KLS13TGP-R543:

а) общий вид долота, б) схема наплавки стальных зубьев[64] На рис.2 представлено долото со стальным фрезерованным вооружением[64].

Стальные зубья, включая периферийные, наплавляются твердым сплавом, состоящим из композиций зерен и более мелких частиц карбида вольфрама. В зависимости от твердости пород, наплавка наносится на боковые; боковые и торцевые поверхности и вершины зубьев. Это способствует обеспечению высокой стойкости вооружения и увеличению механической скорости бурения.

Такой тип долота используется, как правило, при бурении скважин на нефть, т.е. для мягких и средних пород с коэффициентом крепости равным от 6 до 10 по шкале Протодьяконова [34]. В этих условиях особое значение при работе долота приобретает качество наплавленного слоя, так как слой наплавки из твердого сплава должен обладать высокой прочностью и износостойкостью. В этой связи актуальной является задача обеспечения стабильности качества наплавки за счет оптимизации микроструктуры и улучшения свойств исходного зернового твердого сплава для наплавки.

Однако все большую долю рынка стали занимать так называемые "алмазные" долота PDC. Эти долота не имеют в своей конструкции движущихся частей, таких как шариковые или роликовые подшипники в опоре долота, которые часто являются причиной выхода из строя шарошечных долот. Общий вид долота с вставками (резцами) PDC представлен на рис. Рисунок 3 – Алмазное долото PDC:

1-вставки PDC, 2- гидромониторный узел с твердосплавной насадкой, 3-твердосплавные зубки плоской формы, 4-защитное покрытие в виде наплавки[64] Однако данный тип долот не применим при бурении горных пород, так как при бурении крепких пород алмазные долота PDC быстро выйдут из строя вследствие хрупкого скола резцов PDC. Исследования отработанных долот PDC показывают, что данный тип долот применим только при бурении мягких и средних пород, т.е. для нефтяных и газовых скважин, где они составляют вс большую конкуренцию шарошечным долотам [35].

Большую роль в процессе производства на любом машиностроительном предприятии играет оснащение инструментом. Основным инструментальным материалом являются твердые сплавы. Общее количество твердосплавных инструментов, применяемых в механообрабатывающем производстве, достигает 40 % [36].

Инструмент должен обладать достаточной стойкостью. К тому же при использовании твердых сплавов необходимо многообразие их свойств, например, если в одном случае поверхность инструмента может быть подвержена износу, то в другом она может быть подвержена и износу, и изгибу [47]. В ОАО «Волгабурмаш» в процессе производства широко применяются твердосплавные инструменты различного вида (рис.4). Их условно можно разделить на 3 группы:

1) инструментальная оснастка для прессования зубков; 2) режущий инструмент без покрытия; 3) режущий инструмент с покрытием.

К 1-й группе относятся: а) твердосплавные пуансоны, которые должны износостойкости рабочей части; б) матрицы с твердосплавной износостойкой вставкой.

Ко 2-й группе относятся инструменты, которые не применяются в механообрабатывающих станках с ЧПУ с высокими требованиями к режимам бесцентровошлифовальных станков.

металлообрабатывающих станках с ЧПУ с высокими требованиями к режимам резания металлов, осуществляющие получистовую, чистовую обработку металлов: фрезы, сверла, режущие пластины и т.д.

В настоящее время в отечественной промышленности очень актуальна проблема импортозамещения, так как заграничный инструмент, отличаясь "Волгабурмаш" вынуждено покупать инструмент 3-й группы по импорту. Отсюда вытекает задача по частичному импортозамещению и организации собственного производства инструмента, а также подбор современной отечественной технологии нанесения качественного упрочняющего покрытия на режущий инструмент. Данная проблема также является одной из рассматриваемых в диссертационном исследовании.

Рисунок 4 –Твердосплавный инструмент, применяемый в ОАО "Волгабурмаш":

1- фреза; 2- прессовая оснастка(пуансоны); 3-сверло; 4- резец; 5 – режущая пластина Таким образом, актуальной является работа по дальнейшему повышению эффективности использования твердых сплавов в производстве шарошечных совершенствованию технологии, состава изделий из твердого сплава: зубков, наплавочного материала и инструмента.

1.ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ Возникновение в конце двадцатых годов текущего столетия производства спеченных (или в первоначальной терминологии «металлокерамических») твердых сплавов было обусловлено развитием металлообрабатывающей промышленности, требующей применения все более производительных станков и инструментов. Появлению твердых сплавов способствовали в то время в основном два прогрессивных направления в технике: создание нового метода изготовления металлических изделий — «порошковой металлургии» и разработка способов получения весьма твердых металлоподобных веществ — карбидов (а также силицидов, боридов и нитридов) некоторых металлов, относящихся к числу переменных элементов Периодической системы: вольфрама, титана, тантала, ниобия, молибдена.

Метод порошковой металлургии остается единственно возможным, когда требуется создать сплавы (композиции), состоящие из компонентов, значительно различающихся по температуре плавления и когда наиболее тугоплавкие компоненты не должны быть подвергнуты плавлению в целях придания сплаву нужных свойств. Спеченные твердые сплавы представляют собой композиции, состоящие из твердых, весьма тугоплавких соединений обычно в сочетании со значительно более легкоплавкими металлами, носящими название «цементирующих» («связующих» или «вспомогательных»). Необходимые свойства и структура таких композиций достигаются при условии, что заранее изготовленные тугоплавкие компоненты (например, карбиды таких металлов, как вольфрам, титан, тантал) определенного состава не расплавляются в процессе изготовления сплава. При спекании смесей порошкообразных тугоплавких компонентов с порошками цементирующих металлов последние плавятся, растворяя иногда лишь небольшую долю твердых тугоплавких соединений.

Структура спеченных твердых сплавов гетерогенна — она состоит из частиц твердых соединений и участков цементирующего вещества. Размеры частиц твердой карбидной и более мягкой цементирующей фаз обычно достаточно малы и для большинства технических сплавов составляют 0,5—10 мкм. Известны также сплавы, состоящие только из твердых соединений и получаемые спеканием мелкозернистых порошков этих соединений [38, 60, 65, 68-72].

В 1926 г. впервые на рынке появились режущие пластины из твердого сплава Видиа N (Widia N, фирма «Видиа-Крупп», Германия).

К. Шротеру (Schroter) был выдан 30.03.1923 г. патент DRP 420.689. Действие этого патента, который рассматривается сегодня как основной патент по твердым сплавам, было продлено до 30.12.1925 г. Позднее Ф. Скаупу (F. Skaupy) был признан автором изобретения по использованию металлов группы железа, таких как железо, никель или кобальт, для твердого сплава.

Первые твердые сплавы в нашей стране были получены в 1929 г. под руководством Г.А. Меерсона и Л.П. Малькова на Электроламповом заводе (Москва). Изделия из твердого сплава под маркой «Победит» содержали 10 % Со [47].

Открытие тврдых сплавов WC-Co в началe 20-х годов прошлого веки создало предпосылки для революционных изменений во многих областях техники, включая металлообработку, горное дело, машиностроение и т.д. Тврдые сплавы WC-Co обладают уникальным сочетанием физико-механических свойств, главным образом, тврдости и износостойкости, с одной стороны, и прочности, с другой стороны. В дальнейшие годы шли разработки новых сплавов, улучшение их свойств, модернизация оборудования для их производства и т.д.

В 2000 г., по данным Г. Гилле (ФРГ), в мире, исключая Китай, было произведено около 30000 т твердых сплавов. Потребность в новых разработках видна на примере производства тонкодисперсных твердых сплавов: в 2000 г.

было произведено от 11500 до 12500 т субмикронных твердых сплавов, что составляет 40 % от общего объема выпуска твердых сплавов областям. В году объем производства этих сплавов возрос до 18 - 19 тыс. тонн, что свидетельствует о значительном увеличении спроса рынка на тонкодисперсные тврдые сплавы. Прирост производства твердых сплавов в мире за год составляет более 5%. Годовой прирост производства твердых сплавов наиболее высокий в КНР и составляет приблизительно 12%. В 1986 году в СССР, производилось около тысяч тонн твердых сплавов в год. В настоящее время в стране производится не более 2,5-3,0 тысяч тонн твердых сплавов. Большую часть сплавов сегодня выпускают ОАО «КЗТС», ОАО «Победит». Порошками карбида вольфрама они обеспечивают себя сами. При этом порошки крупностью менее 1,2-0,8 мкм в нашей стране в промышленном масштабе в настоящее время не производятся. Поэтому ряд отечественных производителей современного инструмента вынужден закупать за рубежом субмикронные и ультрадисперсные порошки карбида вольфрама Реальный прогресс в расширении выпуска тонкодисперсных сплавов виден на примере роста производства микросверл: 140 т в 1985 г. из субмикронных сплавов с величиной зерна карбида вольфрама 1,2 мкм и 570 т в 2000 г., а в уже более 1200 т. из ультрадисперсных сплавов с величиной зерна карбида вольфрама 0,4 мкм. Это, в частности, связано с продолжающейся миниатюризацией в электронике. Также это относится к оптоволоконной технике, кабельной промышленности и другим бурно развивающимся отраслям.

Всего около 67 % от всего количества твердых сплавов используется в мире в режущем инструменте, в том числе и в обработке резанием особотврдых и абразивных материалов. Следующая большая область применения твердых сплавов - это горнобуровая индустрия, бурение на нефть и газ глубиной до 10 км, проход туннелей диаметром до 50 м, плоское резание дорожного полотна, камнеобработка (13 %), деревообработка (11 %), бесстружковая обработка металлов и конструкционные детали (9 %).

проиллюстрирована следующим фактом: в период 1979-1991 гг., т.е. за 12 лет, спрос в мире на режущий инструмент удвоился [47].

Таким образом, область порошковой металлургии - спеченные твердые сплавы - динамически развивается, и потребность промышленности в таких материалах постоянно растет.

Твердосплавные материалы на основе карбида вольфрама с металлической связкой используются в качестве компонентов металлорежущего инструмента высокой производительности, для которых ключевыми являются высокая производительность, высокая скорость резания, стабильность режущих свойств в широком диапазоне температур. Наиболее интенсивно развивающиеся отрасли отечественной промышленности используют зарубежный инструмент.

Дефицит заготовок, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, покрывается за счт импортных поставок такими фирмами как SANDVIK - Швеция, SECО - Швеция, MITSUBISHI CARBIDES – Япония, ISCAR - Израиль, Hartmetall Швейцария, Ceratizit –Австрия [36].

Например, ОАО "Волгабурмаш" вынуждено покупать инструмент по импорту. Отсюда вытекает задача по частичному импортозамещению и организации собственного производства.

Отсутствие специализированных предприятий по изготовлению штамповой оснастки и прокатных валков из тврдого сплава покрывается за счт инструментальных цехов и участков, которые не располагают современными технологиями и оборудованием, что зачастую приводит к необоснованно высокой себестоимости, а, главное, не обеспечивает достижение возможных эксплуатационных свойств инструмента.

Несмотря на широкое использование тврдых сплавов в промышленности, промышленности, характеризующихся большой мощностью и наличием высоких ударных нагрузок, привело к необходимости разработки новых тврдых трещиностойкости. Также актуальной задачей остается совершенствование свойств твердых сплавов буровых долот.

1.1.Пути повышения свойств твердых сплавов Основные методы повышения свойств твердых сплавов можно условно разделить на две большие группы:

1. Изменение свойств исходных материалов, которые подробно рассмотрены в монографиях по металлургии редких металлов[37-39, 72, 77-78].

2. Усовершенствование состава, основных операций и оборудования процессов производства твердых сплавов.

Ко второй группе следует отнести разработку сплавов серии К, КС, С, ОМ, ХТМ и др., применение инструмента с износостойкими многокомпонентными покрытиями, разработка и использование наноструктурированных порошков.

Примеры повышения свойств твердых сплавов:

- получение сплавов с применением особомелкозернистого вольфрама и карбида вольфрама;

- использование вакуума в производстве твердых сплавов;

- применение новых высокопроизводительных процессов и оборудования;

- неразрушающие методы контроля структуры и свойств твердых сплавов;

- некоторые дополнительные меры: термообработка, различные виды обработки поверхности твердых сплавов и т.д. [40].

Производство твердых сплавов в России Основные российские производители твердых сплавов После распада СССР в Российской Федерации в настоящее время наиболее крупными производителями твердосплавной продукции являются:

АООТ «КЗТС», Кировградский завод твердых сплавов, Свердловская область;

ОАО «Победит», г. Владикавказ, РСО-Алания; ФГУП ВНИИТС, г. Москва;

«МКТС-САНДВИК», г. Москва. Это предприятие, являющееся собственностью шведского концерна «САНДВИК КОРОМАНТ», осуществляет свою программу в области закупки сырья, производства, маркетинга; ОАО «Волгабурмаш», г.

Самара; ООО «АЛГ», г. Москва.

Большинство из перечисленных предприятий были государственными крупными производителями твердых сплавов. Они имели полный производственный цикл, начиная с восстановления оксидов тугоплавких металлов и кобальта, используемых в качестве исходного сырья, до выпуска титановольфрамокобальтовых (ТК), титанотанталовольфрамокобальтовых (ТТК) сплавов и керметов (безвольфрамовых сплавов БВТС).

Завод «Победит», опытное производство ФГУП ВНИИТС, МКТС имели также оборудование для нанесения износостойких покрытий на режущие пластины из твердых сплавов. Годовые объемы производства продукции на этих предприятиях превышали 100 т, а таких заводов, как КЗТС, «Победит», МКТС были на порядок выше. Все перечисленные предприятия сохранили свой производственный потенциал. Ниже будет дан анализ производства продукции этих предприятий в настоящее время.

АООТ «КЗТС» производит изделия для обработки металлов резанием, для обработки металлов давлением и синтеза алмазов, для оснащения горно-бурового и дорожного инструмента. Наряду с этим выпускает товарные карбиды и смеси. В конце 2002 г. объем производства составлял 40 т/мес, в 2003 г. 60 т/мес. Таким образом, предполагаемый годовой объем производства составляет ориентировочно 700-1000 т твердосплавной продукции, из которых приблизительно 60 % приходится на сплавы ВК, 30 % - сплавы ТК и 10 % - сплавы ТТК.

ОАО «Победит» производит из твердых сплавов изделия для обработки металлов резанием, для обработки металлов давлением и синтеза алмазов, для оснащения горно-бурового инструмента, а также товарные карбиды и смеси.

Объем производства твердосплавной продукции составляет ориентировочно 15- т/мес, 70 % от этого объема приходится на сплавы ВК, 15 % - ТК и 15 % - ТТК.

Металлургический цех ФГУП ВНИИТС выпускает до 40 марок сплавов, включая опытные, с целью определения областей применения новых видов продукции. Годовой объем производства не превышает 40 т, из которых 80 % составляют сплавы ВК 5 % - Т К и 15% -ТТК.

ОАО «Волгабурмаш» производит изделия для оснащения шарошечных долот из твердых сплавов ВК по лицензии фирмы «Карболой» (США). Годовой объем производства составляет ориентировочно 250-300 т.

ООО «АЛГ» изготовляет в год более 60 т изделий в основном из сплавов ТТК.

Особое место среди акционерных обществ и малых предприятий занимает ООО «АЛГ», расположенное на базе МИЗ, Москва. Фирма использует в основном в качестве исходного сырья порошки карбидов, поставляемые заводами «Победит»

и КЗТС, и импортного (бельгийского) металлического кобальта.

Производственный цикл начинается с размола порошков в жидкой среде (спирте) в аттриторе или шаровых мельницах. Руководители фирмы стараются использовать порошки от одного поставщика, проводится контроль качества исходных материалов [47].

Все вышеописанные ведущие производители твердых сплавов стараются использовать в производственных процессах высокотехнологичное оборудование.

Современные технологии и оборудование в производстве твердых 1.2.

сплавов и изделий из них Процесс получения вольфрамового порошка сводится к восстановлению вольфрама из трехокиси водородом или углеродом, так как даже в случае применения вольфрамовой кислоты или паравольфрамата аммония в первые моменты нагревания они разлагаются с образованием WО3. Поэтому получение порошкообразного вольфрама во всех этих случаях определяется ходом процесса взаимодействия трехокиси вольфрама с водородом (или углеродом).

Суммарная реакция образования вольфрама из его высшего окисла при восстановлении водородом может быть описана уравнением WО3 + 3Н2 = W + 3Н2О.

Однако существование промежуточных окислов в действительности делает эту реакцию более сложной, состоящей из нескольких стадий. Реакции на этих стадиях сводятся к образованию промежуточных окислов в результате восстановления водородом и взаимодействия их между собой в твердой фазе, а в некоторых случаях – с металлическим вольфрамом. Более подробное описание процесса получения вольфрама представлено в работах [37-51, 60].

Порошок карбида вольфрама в производстве твердых сплавов получают следующим образом. Порошкообразный вольфрам смешивают всухую с сажей, взятой в расчете на образование WC. Смесь насыпают в графитовые контейнеры, которые затем помещают для прокаливания в электрические печи с водородной атмосферой. Температуру карбидизации изменяют в зависимости от зернистости исходного порошка вольфрама.

Различные способы получения карбидов вольфрама, а также свойства получаемого порошка подробно описаны в работах [3-5, 43, 46, 67].

высокотемпературной печи для карбидизации вольфрама (табл.1) Карбиды вольфрама, получаемые на данной печи, с недавнего времени используются на ОАО "Волгабурмаш" для производства буровых твердых сплавов Таблица 1.1 — Характеристика высокотемпературной графитовой печи для карбидизации с толкателем Установленная мощность нагрева 3 х 50 = 150 кВ внутренняя длина зоны нагрева 3.900 мм потребная площадь материал нагревательных элементов графит поперечное сечение муфеля ширина: 150 х высота:230 мм теорет. макс, производительность ок. 30 кг/ч стандартный цикл вталкивания 15 мин (12-20мин) 1.2.1. Технологические режимы приготовления смесей Технологические режимы приготовления твердосплавных смесей и их влияние на качество сплавов подробно рассмотрено в монографии В.И. Третьякова [39].

Смешивание или мокрый размол твердосплавных смесей Одной из основных операций в производстве спеченных твердых сплавов является приготовление смесей из компонентов, входящих в состав соответствующей марки твердого сплава. Практика показывает, что от качества проведенной операции смешивания в значительной степени зависят свойства конечного продукта.

пластификатор растворялся в размольной жидкости. Отечественная промышленность ориентирована на применение в качестве пластификатора раствора синтетического каучука в бензине. Последний имеет ряд недостатков, главные из которых наличие серы и золы. Современные пластификаторы (например, ПЭГ) свободны от этого. Существенным преимуществом ПЭГ перед каучуком является растворимость в спирте, что дает возможность введения его непосредственно в мельницу или аттритор при размоле. За рубежом часто применяют пластификатор парафин, а размольную жидкость - спирт, изогексан и др.

Аттриторами называют аппараты, в которых измельчение материала осуществляется шарами, приводимыми во вращение мешалкой.

Рисунок 1.1 - Вертикальный аттритор: 1 — вал мешалки; 2, 5 — стенки водоохлаждаемого кожуха; 3 — лопасти мешалки; 4 — размольные тела [79] и вращении мешалки в движение приводится вся масса шаров, находящихся в рабочей камере. Непосредственно мешалкой приводится во вращение относительно небольшое количество шаров, остальные приводятся в движение путем эстафетной передачи импульсов от шара к шару. Скорости в массе шаров распределены крайне неравномерно как по радиусу, так и по высоте, и именно это является основой высокой эффективности измельчения в аттриторах, поскольку механическое истирающее, ударное воздействие на частицы порошка, заключенные между двумя шарами, возможно только тогда, когда они движутся с различной скоростьюТеоретической основой анализа работы и проектирования аттриторов является представление о системе шары—порошок как многокомпонентной вязкой неньютоновской жидкости, интенсивность перемещения компонентов которой определяется турбулентной диффузией.

Аттриторы относятся к наиболее энергонапряженным размольным агрегатам и, помимо измельчения, используются для получения порошков сплавов и дисперсно-упрочненных материалов методом механического легирования.

Производительность аттриторов в среднем 1,7 раза выше шаровой мельницы при одинаковом качестве получаемой смеси.

Аттриторы могут иметь как вертикальную (рис.1.1), так и горизонтальную (рис.1.2) компоновку.

Рисунок 1.2 - Горизонтальный аттритор: 1- вращающийся барабан; 2 — лопасти барабана; 3 — размольные тела; 4 — вал мешалки; 5 — лопасти мешалки; 6, 9 — подшипники; 7,8 — корпуса подшипников; 10 - станина; 11, 13 — клиноременные передачи; 12, 14 - шкивы; – люки [79] Например, на ОАО "Волгабурмаш" используется аттритор с вертикальной компоновкой Оборудование для сушки порошков является обязательным элементом технологических линий получения гранулированных порошков.

периодического или непрерывного действия действия(установки сушки распылением), т.к. они дают возможность получать больше готового гранулята, за счет уменьшения потерь, а также повышения технологических свойств готового продукта по сравнению с получаемым продуктом в ранее используемых полочных корпусных сушилок. Рабочий процесс сушки распылением включает распыление (диспергирование) потока высушиваемого материала (суспензии) в среде горячего газа и сушку продуктов распыления (частиц, гранул) в этом потоке. Основные схемы форсуночных камер представлены на рис.1.3.

Рисунок 1.3 - Схемы форсуночных сушильных камер: а — прямоточная с центральным закрученным подводом теплоносителя; б — с центральным закрученным подводом теплоносителя и раздельным выводом газов и материала; в — с равномерным распределением газа по сечению с помощью газораспределительной решетки; г — с радиальным по периферии подводом газа и центральным отсосом; д — работающая при параллельном и противоточном движении газов и теплоносителя; е – противоточная с центрально-периферийным подводом теплоносителя и отводом газа по центру [79] На ведущих предприятиях нашей страны производящих твердые сплавы используют распылительные сушилки с форсуночным типом распыления Исходным материалом для сушки распылением, в большинстве случаев является пульпа, выгружаемая из мельницы мокрого размола или аттритора, содержащая смесь порошков, размольную жидкость и растворенный или диспергированный пластификатор (парафин, каучук и др.). Очень важную роль играют органические добавки к пластификаторам, которые добавляются в смесь помимо основного пластификатора. Они улучшают смачиваемость частиц порошка и улучшают процесс сфероидизации гранул во время процесса сушки распылением. В результате распыления образуются сферические гранулы диаметром 20-200 мкм. После сушки распылением образуются гранулы с постоянным соотношением и полые внутри. На рис. 1.4 показан типичный вид установки сушки распылением.

Рисунок 1.4 – Схема установки сушки распылением Аналогичная установка используется на ОАО "Волгабурмаш".

Принципиальная схема работы форсуночной камеры данной установки представлена на рис.1.3, б.

Основными преимуществами распылительных сушилок являются:

1) высокая скорость сушки, позволяющая достигать высокой производительности;

2) широкие возможности регулирования показателей качества высушенной продукции (влажности, дисперсности, насыпной массы и: др.);

3) отсутствие последующих (за сушкой) операций по доводке продукта;

4) возможность полной механизации и автоматизации технологического цикла;

5) легкость введения дополнительных компонентов на любой стадии процесса сушки;

6) отсутствие пылевых выбросов в производственное помещение [79].

На распределение гранул по размерам влияют параметры установки сушки распылением, такие как давление распыления и диаметр распылительной форсунки, а также свойства потока суспензии. Следует отметить, что наиболее важными технологическими свойствами в производстве для твердосплавной смеси при прессовании являются насыпная плотность и текучесть.

При оптимальном процессе сушки распылением гранулированный порошок отличается хорошей текучестью, равномерной плотностью и имеет требуемое распределение частиц по размерам.

Процесс сушки распылением позволяет получать гранулы, обеспечивающие изготовление качественных изделий при условии прессования на прессахавтоматах [51, 52, 54].

При помощи прессов в порошковой металлургии осуществляют прессование порошков, калибрование спеченных заготовок.

Независимо от типа прессы включают следующие основные узлы (рис.1.5):

станину 1 замкнутого (а) или разомкнутого (б) типа, являющуюся базовой деталью пресса, верхнюю 3 и нижнюю 6 плиты (траверсы), верхний пуансон 4, привод 2 верхней плиты или базирующихся на ней элементов, привод 8 нижней плиты или базирующихся на ней элементов, преcсформу или прессующий блок 5, кассету-питатель для порошка или устройство для подачи калибруемых заготовок 10, устройства 7, выталкивающие отпрессованную (откалиброванную) заготовку из неподвижной матрицы (а) или стягивающие матрицу вниз с неподвижной заготовки (б), устройства вывода отпрессованной заготовки из рабочей зоны, устройства контроля, управления и переналадки пресса (на рис.отдельными позициями не выделены), фундамент 9 или бесфундаментные амортизирующие устройства.

Рисунок 1.5 - Основные элементы конструкции прессов для прессования порошков [79] Основными типами механических прессов, применяемых в порошковой металлургии, являются кривошипные (кривошипно-шатунно-ползунные и кривошипно-коленно-ползунные) и эксцентриковые (кулачковые).

Внешний вид современного пресса с расположенными на нем органами управления и контроля представлен на рис.1.6 на примере модели РСН-200 SU верхнерасположенных привода и кривошипного механизма, не выделенных на рисунке в отдельные позиции, на прессе расположены: указатель положения главного плунжера 7; сигнализатор заполнения матрицы порошком 12; опорные плиты 11 и 2 первого и второго плавающих пуансонов — регуляторов высоты засыпки с указателями их положения; задатчик 1 положения матрицы, при котором прекращается ее плавающее движение, с индикатором положения матрицы;

Рисунок 1.6 - Внешний вид механического пресса для прессования порошков [79] задатчик 13 остановки матрицы после окончания хода стягивания ее с прессовки с индикатором положения матрицы; индикатор усилия с устройством автоматической остановки пресса при перегрузке 8; блок контроля работы гидросистеме, указатель высокого давления в системе управления скоростью плавания матрицы, указатель низкого давления в системе установочных перемещений матрицы, регулятор расхода, регулятор скорости стягивания продолжительности технологического цикла 4; кнопки аварийного пуска и аварийной остановки пресса 3, механизм лучевой блокировки работы пресса по присутствию в рабочем пространстве посторонних предметов, в том числе рук оператора 9; панель управления электрическими механизмами 10, включающая указатели наработки пресса, скорости перемещения главного плунжера, числа прессовок, полученных на прессе (с ручным сбросом показаний); переключатели работы пресса в первом режиме (простые прессовки), во втором режиме (сложные прессовки), световую индикацию подключения пресса к сети и т.д.; панель управления пневмомеханизмами 10, включающая: патрубки для подсоединения пневмогайковерта и пневмопульверизатора; органы управления пневмоцепями кассеты-питателя, установочных перемещений плавающих пуансонов, выталкивателя, стержня. Даже простое перечисление механизмов и органов управления прессом дает представление о его сложности, уровне автоматизации и механизации.

прессования порошков являются прессующие блоки (адаптеры), загрузочноразгрузочные механизмы, системы ЧПУ прессом.

Пресс-блоком (адаптером) называют приспособление, которое можно снимать с пресса и устанавливать на него, размещая внутри самого пресс-блока прессформу, в которой прессуется порошок. Применение пресс-блоков позволяет:

1) быстро переналаживать пресс на изготовление различных деталей, поскольку при наличии нескольких пресс-блоков пресс-инструмент устанавливают в блок вне пресса и фонд времени работы пресса расходуется только на выполнение основной операции;

2) в определенной степени компенсировать неточность перемещений и взаимного расположения траверс пресса, поскольку точность перемещения прессинструмента определяется в основном конструкцией блока, качеством изготовления его деталей и их сборки.

Схема работы пресс-блока, применямого в ОАО «Волгабурмаш», представлена на рис.1. Рисунок1.7 - Схема работы прессующего блока для прессования изделии средней сложности:

1 — матрица; 2 — неподвижный пуансон; 3 — нижний внешний пуансон; 4 — подвижный стержень; 5 — верхний пуансон; I — заполнение; II — начало верхнего прессования; III — подпрессовка; IV — прессование закончено; V — частичное удаление прессовки из матрицы;

VI — прессовка удалена [79] Технические характеристики кривошипных прессов для прессования порошков приведены в табл.1.2.

Таблица 1.2 - Кривошипные прессы-автоматы фирмы «Dorst» (ФРГ) для получения прессовок Наибольшее усилие прессования, кН Наибольшее усилие стягивания матрицы, кН Наибольшее усилие позиции прессования, кН стягивания, мм прессования, мм Наибольший ход прессования верхним пуансоном, мм электродвигателя, кВт регулируемое), 1/мин Предварительная подпрессовка:

наибольший ход, мм Размеры, мм:...

Примечания: 1. Модели ТРА20/3, 50/2 и 100/3 имеют два исполнения для работы со сменным адаптером и с постоянным инструментальным блоком. 2. На базе прессов ТРА6, 15/3,20/3, 50/2 выпускаются прессы для сухого прессования заготовок анизотропных постоянных магнитов из порошков ферритов и других магнитных материалов В ОАО "Волгабурмаш" для производства твердосплавных комплектующих позволяющие прессовать изделия сложной формы.

В системе пресс - формообразующий инструмент — формуемый порошок инструмент является тем элементом, в рабочем пространстве которого масса порошка трансформируется в заготовку (в отдельных случаях — в готовое изделие) заданной формы и размеров.

Пресс-формы для холодного прессования порошков Неравномерность распределения плотности (неравноплотность) при холодном прессовании обусловлена двумя факторами:

внешним трением порошка о стенки матрицы и поверхности пуансонов;

2)наличием в направлении прессования, а также криволинейных поверхностей или непараллельных основанию плоскостей, ограничивающих деталь.

На рис.1.8 представлена схема прессования зубков в ОАО "Волгабурмаш" относящихся к изделиям II группы сложности Рисунок 1.8 - Схемы прессования деталей II группы сложности:

а — одностороннее прессование; б — двустороннее прессование матрица и стержень неподвижны; в — двустороннее прессование (нижний пуансон неподвижен, матрица и стержень на пружине перемещаются вниз за счет трения); г — выталкивание (нижний пуансон двигается вверх при неподвижных матрице и стержне); д — выталкивание (матрица и стержень стягиваются вниз при неподвижном нижнем пуансоне) [79] Такая схема прессования позволяет получать достаточно равномерную плотность по всему объему изделия, что очень важно для конечного качества детали.

1.2.3. Нагревательное оборудование для производства твердых сплавов Печи с электрическим нагревом являются основным видом нагревательного оборудования в порошковой металлургии и применяются для выполнения операций восстановления порошков тугоплавких металлов, их карбидизации, процессов спекания и т.д. [73].

Схема конструкции нагревательной камеры муфельной печи представлена на рис.1. Рисунок 1.9 - Схема конструкции нагревательной камеры муфельной толкательной печи:

1 — муфели; 2 — нагреватели; 3 — толкатели; 4 — ввод водорода; 5 — вывод водорода [79] Нагревательная камера представляет собой металлический водоохлаждаемый корпус, футерованный изнутри несколькими слоями огнеупоров.

Нагревательные элементы уложены в пазах сводовых и подовых кирпичей футеровки. Выводы нагревателей проходят через футеровку и боковые водоохлаждаемые стенки корпуса. Крепление нагревателей позволяет быстро менять отдельные элементы в процессе работы печи, а также при ее ремонте.

Между верхним и нижним рядами нагревателей на подовых кирпичах футеровки вдоль печи вмонтированы муфели (от 2 до 12 в печах разных модификаций), внутри которых происходит процесс восстановления порошков вольфрама (молибдена) из оксидов. Порошок находится в лодочках. Камера печи разделена на пять тепловых зон, что позволяет получить нужное распределение температуры по длине печи. В боковых стенках корпуса камеры, кроме отверстий для выводов нагревателей, имеются отверстия для ввода пяти термопар в зоны нагрева. Сверху камера закрыта водоохлаждаемыми крышками. К торцу корпуса камеры муфели присоединены неподвижно, а со стороны загрузки они установлены свободно в асбестовых уплотнениях, что позволяет им при нагреве удлиняться. Со стороны разгрузки к муфелям присоединены двухсекционные холодильники, создающие зону охлаждения. Холодильник представляет собой сварной водоохлаждаемый кожух с проходным сечением, равным сечению основного муфеля. Внутренний кожух холодильника выполнен из нержавеющей стали.

Печь подобной конструкции используется на ОАО "Волгабурмаш" при операции спекания зернового твердого сплава для наплавки.

Согласно действующему технологическому процессу зерновой твердый сплав спекается в нормализующей засыпке из электрокорунда белого марки 25А в проходных печах в атмосфере водорода при температуре спекания около 1470С Недостатки спекания в засыпке: необходимо очень равномерное перемешивание гранул с засыпкой; состав засыпки должен быть очень стабилен. После спекания в засыпке микроструктура частиц получается нестабильной. Зачастую, в микроструктуре гранул можно обнаружить дефекты в виде крупных пор и присутствие -фазы. Эти дефекты снижают износостойкость наплавленного слоя.

Поэтому данную проблему стоит осветить более подробно в следующих разделах.

Для спекания гидромониторных насадок», а также заготовок прессовой оснастки в ОАО «Волгабурмаш» используется вакуумная печь периодического действия.

Типовая схема вакуумной системы печей периодического действия представлена на рис.1.10.

Рисунок 1.10 - Откачная система вакуумной печи периодического действия:

1 — нагреватель; 2 — экранная теплоизоляция; 3 — датчик остаточного давления; 4 — корпус вакуумного затвора (шибера); 5 — заслонка; 6 — ловушка; 7 — вакуумный насос; 8 — бустерный насос; 9 — форвакуумный насос линии высокого вакуума; 10 — форвакуумный насос линии предварительной откачки; 11 — нагреваемое изделие [79] Следует отметить, что температура спекания в вакуумной печи на 20 - 50 °С ниже, чем в проходной. Это связано с различиями атмосфер спекания, условиями герметичности и т.д. [40, 45] Дальнейшим развитием конструкции садочных печей сопротивления являются установки, позволяющие осуществлять нагрев как в вакууме, так и в защитной среде с давлением до 10 МПа.

Благодаря такому широкому диапазону рабочих давлений возможно последовательное, без охлаждения и разгрузки печи, осуществление следующих технологических операций: предварительного спекания заготовок в вакууме до относительной плотности 0,92—0,95, т. е. до такого состояния, когда в материале существуют только изолированные поры; окончательного спекания в защитной атмосфере при повышенном давлении (по существу — горячего газостатического прессования без оболочки) с достижением практически беспористого состояния материала [80, 81, 82, 87].

Вакуумно-компрессионные печи применяют также для осуществления в одном агрегате предварительного спекания (депарафинизации),вакуумного спекания, нагрева под закалку и т.д. Печи снабжаются системой ЧПУ, обеспечивающей выполнение заданной последовательности технологических переходов и операций и поддержания заданных параметров технологического нагревательную камеру 1 с внутренним кожухом, вентиль 2 системы удаления выделяющихся газообразных продуктов, основной холодильник 3, двухроторный циркуляционный газовый насос 4, вторичный холодильник 5, конденсатор удаляемых продуктов 6, вентиль 7, пластинчато-роторный вакуумный насос 8, двухроторные вакуумные Рисунок 1.11 - Вакуумно-компрессионная печь с экранирующим кожухом [79] насосы 9 и 10, главный вакуумный вентиль 11, дифференциальное реле давления 12, натекатель 13, выпускной вентиль 14, датчик давления 15, байпасную линию для откачки с пониженной скоростью 16.

Технические характеристики печей с рабочей температурой 1593 К, оснащенных газовыми компрессорами, приведены в табл.1. Таблица 1.3 - Технические характеристики вакуумно-компрессионных печей фирмы Вакуумно-компрессионные печи аналогичной конструкции фирмы ALD используются на ОАО "Волгабурмаш" для полного цикла спекания зубков, включающего в себя предварительное спекание, спекание в вакууме и спекание с подачей газостатического давления 1.3. Высокотемпературные карбиды и влияние условий получения порошков карбида вольфрама на свойства сплавов WC-Со Рассмотрим данные о влиянии условий получения порошков вольфрама и карбида вольфрама на некоторые основные механические свойства сплавов WCCo. С повышением температуры восстановления (с ростом зерен вольфрама) прочность сплава изменяется: для сплавов с относительно малым содержанием Со 2... 15 % предел прочности при изгибе возрастает, с увеличением размеров зерен карбидной фазы; для среднего содержания Со 15 % зависимости от величины зерна практически не наблюдается; для сплавов с 20...25 % Со предел прочности несколько падает, с увеличением размера зерна.

восстановления вольфрама). Что касается влияния среднего размера зерен фазы WC на предел прочности при сжатии сплавов WC-Co, это подробно изложено в работе Г.С.Креймера и др. [70]. Авторы исследовали образцы сплавов с широким диапазоном содержания кобальта и размеров зерен фазы WC, который регулировался температурой изготовления исходного порошка вольфрама.

По данным исследователей предел прочности при сжатии уменьшается с увеличением среднего размера зерен фазы WC (с повышением температуры восстановления вольфрама). С увеличением размера зерна фазы WC в сплаве (с повышением температуры восстановления и карбидизации) в 5-6 раз повышается величина работы разрушения, что вызвано резким увеличением максимальной деформации.

Наиболее резкое влияние на показатели пластичности оказывает температура карбидизации вольфрама. Влияние температуры восстановления оказалось менее заметным. Физическая природа влияния температуры к настоящему времени еще окончательно не выяснена [38].

Сказанное подтверждается результатами опытов Креймера с сотрудниками, определявшими под оптическим микроскопом и другими методами зернистость, как порошков вольфрама, так и изготовленных из них порошков карбида вольфрама. Авторы подвергали карбидизации при различных температурах (от 1000 до 1900° С) порошки вольфрама со средним размером зерна 15; 3,6 и 0,6 мкм и наблюдали под микроскопом картину образования частиц WC из частиц вольфрама. В случае применения крупного порошка (15 мкм) размер зерен WC был значительно меньше, чем размер зерен исходного вольфрама даже при температурах карбидизации 1550—1600° С (рис.1.12, а и б) и лишь при температуре карбидизации 1900° С (рис. 1.12, в) приближался к нему. В случае мелкого исходного порошка (0,6 мкм) при температуре карбидизации 1400° С размер зерен WC совпадал с размером зерен W (рис.1.12, а и б) и превосходил его при температурах карбидизации 1600 и 1800° С [39] Рисунок 1.12 - Изменение размера зерен WC при карбидизации крупного (15мкм) порошка вольфрама при различных температурах: а-1550; б-1600; в-1900С [39] В работах сотрудников Ивенсена, Эйдук и Артемьевой рассматривалась зависимость свойств сплава от температуры получения карбида вольфрама.

Показательно, что с увеличением температуры карбидизации растет значение работы разрушения сплавов ВК6 и ВК20. Как видно из данных табл.1.4, с уменьшением размера зерна фазы WC в сплаве (с понижением температуры восстановления и карбидизации) повышается предел прочности и предел текучести при сжатии и существенно (в 5-6 раз снижается величина работы разрушения, что вызвано резким уменьшением максимальной деформации).

Эти данные были подтверждены в другой работе, в которой авторы попытались установить степень влияния отдельно температуры восстановления и температуры карбидизации (табл.1.5).

Таблица 1.4 - Некоторые свойства образцов сплавов WC-Co с 20% и 6%(по массе) Со с различной величиной зерна фазы WC, достигнутой при разной температуре восстановления и карбидизации вольфрама [39] Таблица 1.5 - Влияние температуры восстановления и карбидизации вольфрама на некоторые свойства сплавов WC + 20% Со и WC + 6% Со с близким размером зерна Содержание Из результатов этих опытов показательно, что для сплава на основе высокотемпературного карбида вольфрама (Т карб = 2200С) работа разрушения в 2-3 раза выше, чем для сплава на основе низкотемпературного карбида.

Физическая природа влияния температуры к настоящему времени до конца не выяснена. Высказывалось предположение, что оно связано с существованием крупных блоков мозаики в зернах вольфрама, полученного при высокой температуре, и это сказывается на структуре образующихся зерен карбида вольфрама и затем зерен фазы WC в сплавах. Авторы некоторых работ указывали на две возможные причины влияния температуры синтеза — доминирующая роль все-таки отводится фактору структуры кристаллической решетки.

При повышении температуры карбидизации свыше 1800°С наблюдается упорядочение кристаллической структуры зерен карбида вольфрама. При увеличении температуры карбидизации увеличивается скорость диффузии углерода в зерна вольфрама, что в конечном итоге позволяет получить монолитные зерна карбида вольфрама с меньшим количеством субзерен в них.

На рис.1.13 видно, что внутри частицы остался непрокарбидизированный вольфрам, что явилось следствием низкой температуры [33].

Углерод Рисунок 1.13 - Упрощенная схема образования частиц карбида вольфрама [33] На диаграммах, представленных на рис. 18-20, показано изменение основных механических свойств сплавов (пределов прочности при изгибе и сжатии, величины предельной пластической деформации перед разрушением при нагружении сжатием, абразивной износостойкости и коэффициента вязкости при разрушении) в зависимости от содержания кобальта и величины зерна карбида вольфрама в сплаве.

Рисунок 1.14 - Зависимость предела прочности при изгибе(слева) и предела прочности при сжатии (справа) от количества кобальта и величины зерна карбида вольфрама изготовленных по высокотемпературной технологии [47] Рисунок 1.15 - Зависимость величины предельной пластической деформации(слева) и коэффициента интенсивности напряжений (справа) от количества кобальта и величины зерна карбида вольфрама в сплавах, изготовленных по высокотемпературной технологии [47] Рисунок 1.16 - Зависимость абразивной износостойкости (W) от количества кобальта и величины зерна карбида вольфрама в сплавах, изготовленных по высокотемпературной технологии [47] Из всех существующих твердых сплавов сплавы на основе WC-Co при одинаковом содержании кобальта обладают более высокими вязкостью и пределом прочности при изгибе, а также лучшей тепло- и электропроводностью.

Физико-механические свойства сплавов определяют их режущую способность в различных условиях эксплуатации. С ростом содержания кобальта в сплаве его стойкость при резании снижается, эксплуатационная прочность растет.

Полученные закономерности положены в основу практических рекомендаций по рациональному применению конкретных марок сплавов. Так, сплав ВКЗ с минимальным содержанием кобальта как наиболее износостойкий, но наименее прочный, рекомендуется для чистовой обработки с максимально допустимой скоростью резания, с малыми подачей и глубиной резания, а сплавы ВК8, ВК10-М и ВК 10-ОМ - для черновой обработки с пониженной скоростью резания и увеличенным сечением среза условиях ударных нагрузок.

Вольфрамокобальтовые сплавы рекомендуются преимущественно для обработки материалов, дающих стружку надлома: чугунов, стеклопластиков, фарфора и т.д. [47] При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства сплавов в значительной мере определяются зернистостью карбидной фазы, главным образом, средним размером зерен карбида вольфрама.

Разработанные технологические приемы позволяют получать твердые сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может изменяться от долей микрометра до 10-15 мкм.

По данным В.А. Ивенсена можно отметить, что порошки вольфрама и карбида вольфрама, полученные по высокотемпературной технологии, обладают более совершенной кристаллической структурой. Однако процесс размола полностью нарушает эту структуру и даже приводит к получению более высокой интегральной дефектности у интенсивно молотого высокотемпературного карбида. Свойства сплава не обнаруживают какой-либо связи с интегральной дефектностью порошков после размола, но имеют четко выраженную зависимость от температуры получения порошков. Указанную зависимость по В.А. Ивенсену можно объяснить влиянием «биографических» факторов на процесс формирования структуры сплава и состояние карбидного скелета.

В.А. Ивенсен считает, что повышение температуры приводит к снятию напряжений второго рода и росту размеров блоков мозаики. Установлено, что процесс спекания непосредственно связан с влиянием дефектов кристаллической решетки на текучесть кристаллического вещества. Чем ниже температура получения порошка, тем больше дефектов в кристаллах и тем выше скорость уплотнения при спекании. Активные дефектные порошки уплотняются при меньшей температуре [87]. По мнению Р.А. Андриевского, повышение температуры карбидизации вольфрама способствует большим сегрегациям кобальта в приграничных прослойках [46].

Учитывая анизотропию уровней удельной свободной энергии поверхности для разных граней кристаллов WC, можно сказать, что при размоле возрастает доля поверхности с высокой удельной энергией. Иными словами, два разных порошка WC одной зернистости, но с разной формой частиц, будут обладать различной активностью [37].

В процессе твердофазного спекания сплавов WC-Co происходит изменение формы WC, они приобретают свойственное им огранение - треугольной призмы, а при большой выдержке - пластинчатого габитуса [41]. При изменении формы происходит спрямление граней кристалла в результате исчезновения ступенчатых участков и образование плоских гладких поверхностей.

Анизотропия уровней удельной свободной межфазной энергии граней кристаллов WC является основной причиной процесса перекристаллизации WC при жидкофазном спекании твердых сплавов. По мере развития процесса спекания кристаллы стремятся к пластинчатой форме.

Сегодня существуют перспективные разработки, позволяющие, например, получать после спекания структуру зерен карбида вольфрама с округленной формой частиц, в тех местах, где обычно есть огранение зерна [42].

После промежуточных операций (деформации и дробления частиц, а также отжига порошка) сохранение каких-то «изначальных» свойств, присущих данному способу получения порошка и определяющих его «поведение» при спекании, в порошковой металлургии называется эффектом наследственности [40, 87].

1.4. Составы, технология, свойства и области применения сплавов, изготовленных по высокотемпературной технологии Рассмотренные выше закономерности образования высокотемпературных карбидов вольфрама легли в основу создания новых марок твердых сплавов особокрупнозернистых, получивших обозначение К, КС, С. Основные области их применения - штамповый инструмент, где от сплава требуется повышенная работа разрушения. Установлено, что применение «высокотемпературного»

карбида вольфрама позволяет получать сплавы с повышенной пластичностью при любом размере зерна [85]. Причина такой стойкости связана с процессом накопления дефектом (типа субмикротрещин) в процессе деформации.

Пластическая деформация твердого сплава сопровождается постепенно нарастающим разупрочнением, которое возрастает отнюдь не столь стремительно трещинообразованию.

Процесс накопления деформационных дефектов, обуславливающих снижение прочности сплава, идет постепенно, развивается неодинаково в сплавах разного состава, с разным размером зерна карбида вольфрама. Термическая предыстория порошков и способ их получения также оказывают влияние на процесс накопления деформационных дефектов, а, отсюда, и эксплуатационные свойства инструмента. В связи с этим В А Ивенсен с сотрудниками считают необходимым для оценки вероятной работоспособности сплава в тех или иных условиях работы с ударными нагрузками наряду с твердостью, прочностью и пластичностью целесообразно использовать еще одну характеристику - интенсивность накопления дефектов в процессе пластической деформации. Составлен ряд из различных марок твердых сплавов по скорости накопления деформационных дефектов, который имеет вид: К, КС, С, В, Ср, М, ОМ, где скорость увеличивается от сплавов группы К к сплавам группы ОМ [40].

1.4.1. Технология получения отечественных буровых сплавов К, КС, С Для изготовления этих сплавов используется порошок вольфрама, получаемый восстановлением в две стадии: I стадия при 900 °С, II стадия - 1200°С. Порошок вольфрама, согласно техническим условиям, имеет адсорбцию метанола 0,003...0,013 мг/г, содержание кислорода менее 0,2 %. Карбид вольфрама получают по «высокотемпературной» технологии, т.е. карбидизацию проводят при температуре 2200 °С, скорость продвижки 13,59 мм/мин (20 мин в горячей зоне). Согласно техническим условиям на карбид вольфрама: 6,0…6,15% Собщ, менее 0,1%Ссвоб, адсорбция паров метанола – 0,004…0,018 мг/г. Режимы приготовления смесей и спекания представлены в табл.1.6. Замешивание смесей происходит с раствором каучука в бензине сушка смесей и формование их аналогичны обычным сплавам группы ВК. Для сплава ВК20-К при приготовлении смеси добавляется 22 % кобальта для активизации процесса перекристаллизации (больше жидкой фазы), приводящей к получению особокрупного зерна WC-фазы. Пористость сплавов Т аблица1.6 -Технология сплавов группы К, КС, С [40] Соотношение в мельнице шары : смесь - 3:1, диаметр шаров 15... 18 мм vIM после спекания < 0,2 %, содержание свободного углерода < 0,5 %. В сплавах этой серии по объему размер зерна WC-фазы должен быть > 50 %: для К-5... 10 мкм;

для КС-3...6; для С- 1...3 мкм.

Сравнительные свойства сплавов групп К, КС, С представлены в табл.1.7. Сплавы ВК10-КС, ВК20-КС и ВК20-К присутствуют в ГОСТ 3882, остальные сплавы выпускаются по техническим условиям завода изготовителя.

Таблица 1.7 -Свойства сплавов группы К, КС, С [40] Все марки сплавов трех групп обладают повышенным сопротивлением разрушению при ударном нагружении в сочетании с высокой прочностью и износостойкостью. Сплавы группы С с содержанием кобальта 10...25 % наиболее износостойкие и менее пластичные. Рекомендуется применять их для изготовления деталей с умеренными ударными нагрузками, например, в штамповом инструменте вырубки магнитопровода, оправках, дорнах и др.

Сплавы группы КС с 10...25 % Со рекомендуется применять на операциях с ударными нагрузками средней интенсивности, например, высадки шариков для шарикоподшипников, метизов, болтов и подобных деталей, диаметром до 14 мм.

Сплавы групп К, КС, С оказались пригодными и в качестве режущего и бурового инструмента. При бурении горных пород широкое применение находят сплавы ВК6-КС (резцы для угольных комбайнов), ВК12-КС применяют при шарошечном бурении, ВК10-КС - для изготовления долот для перфораторного бурения. Сплавы группы КС почти полностью вытеснили сплавы группы В при бурении горных пород.

1.4.2. Твердые сплавы в буровых долотах. Сплавы для горных работ При помощи инструмента, оснащенного твердыми сплавами или наплавленными литыми карбидами, производится вырубка угля с применением вырубных машин и высокопроизводительных комбайнов, бурение геологоразведочных скважин, бурение промышленных скважин на нефть, газ, воду, бурение скважин для взрыва горной массы и пород.

При шарошечном бурении в качестве породоразрушающего инструмента используются шарошечные долота. Буровой станок, создавая давление на шарошечное долото вдоль его оси, одновременно с этим производит вращение штанги и шарошечного долота. Шарошки опираются на забой скважины и вместе с долотом вращаются вокруг ее оси. При этом под большим осевым давлением зубки, изготовленные из твердых сплавов, находящиеся на конусной поверхности шарошек, внедряются в породу забоя скважины и разрушают ее.

Шарошки оснащаются цилиндрическими зубками, в основном, с клиновой или полусферической головкой.

Ограничимся отечественными твердыми сплавами, применяемыми для оснащения горнорудных шарошечных долот.

При бурении крепких, весьма крепких и абразивных горных пород рекомендуется применять твердые сплавы:

ВК8-В – для бурения шарошечными долотами, ударно-поворотного и вращательного бурения крепких пород;

ВК8-ВК – для бурения крепких и абразивных пород шарошечными долотами;

ВК11-В – для бурения мощными перфораторами;

ВК15 – для бурения весьма крепких пород погружными перфораторами, ударно-поворотного бурения, ударно-вращательного бурения гидроударными машинами.

В ОАО "КЗТС" изготавливаются такие буровые сплавы как ВК8В и ВК11ВК, аналогами которых служат сплавы ВК6С и ВК10С производства ОАО "Волгабурмаш" (табл.1.8).

Таблица 1.8. - Сравнительная таблица технических требований к твердым сплавам зубков для долот производства ОАО "ВБМ" и ОАО "КЗТС"(по ГОСТ 3882-74) Свойства 1. Плотность, г/см3 14,43-14,63 14,85-15,05 14,1-14,4 14,5-14, Emu/g Co шкалам 6.1 Пористость А, В, D макс.суммарная свободный углерод, макс.

8. Макроструктура Поверхность разлома не должна иметь Макроструктура должна быть Чем тверже горная порода, тем более мощное и производительное оборудование применяется для бурения и тем выше должно быть содержание кобальта в применяемом для инструмента сплаве. Однако при применении высококобальтовых марок сплава снижается скорость бурения. Для достижения наибольшей эффективности бурения и повышения общей производительности для каждого конкретного случая необходимо оптимальное решение.

исследованиям повышения их качества посвящены работы [23, 30, 31, 85-86].

В каждом типе долота различают два вида вооружения: основное – зубки, расположенные на рабочих венцах шарошек для углубления забоя скважины;

калибрующее - зубки, располагаемые на обратном конусе шарошек и калибрующие диаметр скважины.

Режимы работы каждого из этих вооружений различны. Если зубки основных рядов шарошек для разрушения породы должны осуществлять ее раздавливание, дробление, скалывание, то калибрующее вооружение работает только в режиме истирания. Поэтому требования к видам вооружения тоже разные. Калибрующие зубки, в первую очередь должны иметь повышенную износостойкость (стойкость к абразивному износу), а зубки основных рядов шарошек должны обладать хорошей стойкостью к ударным нагрузкам в сочетании с высокой износостойкостью.

Выбор типа вооружения и схемы размещения зубьев и зубков в долотах определяются схемой поражения забоя, назначением долот и требованиями соответствии с их свойствами. Принимая во внимание разнообразие горных пород, типы долот унифицированы по группам горных пород.

Типы конструкций твердосплавных зубков Рисунок 1.17 - Разновидности геометрических форм твердосплавных зубков а – клыкообразный тип зубка; б – сферический;

В отечественной практике наибольшее применение получили формы Г25, Г26, Г54 (рис.1.17,б) [40]. Эти формы являются традиционными, но для улучшения основных показателей долот необходимо совершенствовать геометрические параметры твердосплавного вооружения – делать их более агрессивными. В ОАО "Волгабурмаш" постоянно разрабатываются новые агрессивные формы зубка (рис1.17,а) с увеличенным вылетом зубка над телом шарошки, более острым углом при вершине, с различным количеством сопряжений и переходов и т.д. Применение зубков подобных сложных конструкций по сравнению с традиционными формами позволяет значительно увеличить механическую скорость бурения, которая является определяющим фактором себестоимости добычи. Но их использование в долотах возможно только в случае, когда твердый сплав обладает максимально высокую пластичность (трещиностойкость).

Также из-за сложной формы зубков в процессе производства зачастую приходится сталкиваться с проблемой их изготовления, особенно при выполнении операции формования. Это более подробно обсуждается в следующих разделах.

1.5. Твердые сплавы для наплавки. Составы, технология, свойства Основное назначение наплавочных материалов: армирование фрезерованных зубьев шарошек буровых долот и упрочнение козырьков лап с целью повышения износостойкости.

Материал наплавленного покрытия противостоит следующим видам износа:

абразивному, ударно-абразивному, химическому, эрозионному, кавитационному, коррозионному, износу трением и др.

Масса материала, наносимого на деталь, невелика - 2...6 % от массы детали (при напылении еще меньше), отсюда вытекает экономическая эффективность наплавки, так как износостойкость детали увеличивается в 2-10 раз и больше, простои оборудования на ремонт уменьшаются.

В ряде случаев для наплавки применяют порошковую проволоку (ПП) или ленту (ПЛ). Проволоку (диаметр ~ 3 мм) получают волочением свернутой мягкой стальной ленты, заполненной наплавляемой шихтой требуемого состава, а ленту прокаткой. Процесс наплавки осуществляется на автоматах аналогично тому, как и при использовании электродов или порошковых смесей. Свойства и структура покрытия определяются составом материала, засыпанным в свернутую стальную трубку.

Наплавочный сплав рэлит производится твердосплавной измельченного литого карбида вольфрама.

В зависимости от фракционного состава существуют четыре марки рэлита:

рэлит-1 (0,55…0,80 мм); рэлит-2 (0,35…0,55 мм); рэлит-3 (0,25…0,35 мм); рэлит- (0,18…0,25 мм).

Процесс изготовления зернового рэлита достаточно трудоемок. Шихту, состоящую из порошка вольфрама и 15% крупных отходов рэлита загружают в графитовый стакан, а затем помещают в печь сопротивления с графитовой трубой, в которой происходит нагрев до 3000…3200С. В процессе нагрева происходит науглероживание вольфрама, образуются карбиды W2C, WC и эвтектика W2C-WC. Плавку ведут на воздухе под флюсом. Далее выдержка при температуре 3000С и разлив в графитовые разборные пресс-формы. Полученные отливки очищают и размалывают в щековой дробилке. Конечная операция рассев по фракциям. Отходы, полученные при рассеве возвращаются на шихтовку.

Форма зерен готового литого карбида вольфрама должна быть равноосной, микротвердость должна соответствовать 20-24 ГПА.

Наиболее перспективным из наплавочных материалов сегодня является сферический карбид вольфрама, состоящий из карбида вольфрама и эвтектики WC2-WC.

Прочность частиц сферической формы возрастает с увеличением размера частиц. Для наплавки обычно используют зерна размером >0,5 мм, поэтому преимущества сферического рэлита очевидны. Степень неоднородности порошков характеризуется коэффициентом вариации; чем он выше, тем менее однороден по своей прочности порошок. Коэффициент вариации разрушающей нагрузки сферического рэлита - 32,5 %, дробленого - 52%.

Характер разрушения сферических и дробленых гранул рэлита при статической нагрузке существенно различен. В первом случае разрушение носит «взрывной»

характер, гранула разлетается на мелкие осколки, во втором - разрушение происходит более спокойно, зерно разделяется на 2...4 части. Можно предположить, что такой характер разрушения связан с развитием имеющихся дефектов в дробленных зернах (микротрещины, неоднородность структуры, поры и др.).

Сферический рэлит принципиально новый материал, и его применение в качестве наплавки позволяет повысить стойкость ответственных деталей и сократить расход дефицитного и дорогостоящего сырья. Покрытие поверхностей деталей сферическим рэлитом осуществляется разными способами: плазменнопорошковой и аргонно-дуговой наплавкой, печной пайкой и др. Для защиты зерен от перегрева, окисления и растворения на них могут быть нанесены барьерные металлические покрытия [40].

Наплавка сферического рэлита особенно эффективна для упрочнения бурового инструмента: долот, замков бурильных труб, зубьев роторных комплексов, деталей оборудования для измельчения пород с высокой крепостью. Наваренный на буровое долото, каждый кусочек рэлита играет роль режущего инструмента, получается как бы многолезвийный инструмент, что существенно повышает производительность.

Основным преимуществом применения рэлита является то, что при наплавке он остается в твердом состоянии, и свойства его практически не меняются в отличие от твердых сплавов и других наплавочных материалов.

После определения схемы применения пресс-формы необходимо выбрать материал основных деталей пресс-формы, так как только после этого можно провести расчеты на жесткость и прочность, сконструировать пресс-форму и разработать технологию ее изготовления.

Помимо характеристик жесткости и прочности, определяющих размеры пресс-формы и ее конструкцию, при выборе материала пресс-форм для холодного прессования порошков необходимо учитывать его износостойкость в условиях абразивного износа прессуемым порошком, предел выносливости в условиях растяжения—сжатия или несимметричного сжатия, дефицитность и обрабатываемость [51, 52, 59]. Наиболее полной характеристикой материала пресс-формы являются затраты на ее изготовление, отнесенные к тому количеству прессовок, которое можно снять с пресс-формы до достижения ею предельного износа.

На рис.1.18 представлена схема, подобная той, которая применяется для изготовления пресс-оснастки в ОАО "Волгабурмаш".

Рисунок 1.18 - Схема комплексного применения электро-физикохимических методов электрохимическая обработка, ЭЭО — электроэрозионная обработка, ЭИ — электродинструмент) [79] инструментальный участок для изготовления необходимой оснастки для изготовления основной продукции. Это пресс-оснастка (матрицы, пуансоны), инструмента зависит качество продукции, а также бесперебойная работа предприятия [117].

Основные этапы производства заготовок оснастки: прессование типовых предварительное спекание с целью отгонки парафина; пропитка в жидком парафине для облегчения последующей обработки; токарная обработка заготовок;

окончательное спекание; электроэрозионная обработка.

Рисунок 1.19 – Пластифицированная заготовка формы ПЗ [51] Рисунок 1.20 – Пластифицированная заготовка формы ПК [51] Рисунок 1.21 - Пластифицированная заготовка форм ПП и ПЦ [51] На поверхности заготовок после спекания не допускаются расслоения, трещины и корочки; поверхность очищают от парафина [51].

В настоящее время на предприятии электроды для электроэрозионной обработки заготовок прессовой оснастки изготавливаются с применением механической обработки на станке с ЧПУ, что позволяет получать пуансоны со сложной формой профиля.

1.7. Твердые сплавы с особо мелким зерном 1.7.1. Наноструктурные и ультрамелкозернистые твердые сплавы эксплуатационных свойств материалов является их наноструктурирование.

Твердые сплавы, изготовленные из нанокристаллических. ультрадисперсных и субмикронных порошков карбида вольфрама, обладают уникальными механическими и эксплуатационными свойствами по сравнению с обычными твердыми сплавами, изготовленными из порошка карбида вольфрама с крупным размером зерна (единицы микрон и выше).

Существует несколько основных направлений, используемых в России и за рубежом, для получения нанокристаллических, ультрадисперсных и субмикронных порошков карбида вольфрама. К ним относятся: традиционная печная карбонизация порошка вольфрама, плазмохимический синтез, синтез из самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) [88-90, 92].

Многие из этих технологий предполагают использование сложного оборудования с низкой производительностью. Соотношение объемов порошков карбида вольфрама (нанокристаллического, ультрадисперсного и субмикронного) к общему объему можно представить следующим образом - субмикронный (размер зерна 600-1200 нм) - 30%;

- ультрадиспрсный (размер зерна - 200-500нм) ~ 40%;

- нанокристаллический (размер зерна < 200 нм) ~ 15-20%.

Твердые сплавы на их основе выпускаются под марками «М», «ОМ», «ХОМ», «ВХ», «ТХ»[40].

Твердые сплавы с наноструктурой (опытные образцы) имеют марки VCN6 и VCN10. Твердые сплавы с ультрамелкозернистой структурой на отечественных предприятиях по производству твердосплавного инструмента изготавливаются в основном на импортном сырье.

Основным направлением получения нанопорошков твердых сплавов за рубежом является многостадийный синтез, включающий формирование первичной наносистемы гидроксидов вольфрама и кобальта из раствора, испарительную сушку раствора с получением наноструктурных гранул смешанных, оксидов и их последующее восстановление карбидизацию с использованием восстановления (Rapid Carbothermal Reduction, RCR) [88], конверсионного распыления (Spray Conversion Process, SCP) [90], газофазного науглероживания вольфрамового порошка и/или исходного вольфрам содержащего соединения [91], механохимические методы с использованием высокоэнергетического размола [92] и др.

Особое значение для процесса получения твердосплавных материалов с улучшенными свойствами является улучшение процесса смачивания частиц твердого сплава (карбида) материалом металлической связки, что в конечном итоге приводит к улучшению ударной стойкости материала, более равномерному распределению частиц в конечном композите и улучшению эксплуатационных свойств твердосплавных инструментов [47, 85, 87].

Для тврдых сплавов инструментального назначения необычные свойства при переходе в область наноматериалов принято связывать с поведением трещины Гриффитса при измельчении карбидных зрен. Толщина кобальтовых прослоек существенно влияет на ударную вязкость твердого сплава – при ее увеличении резко возрастает трещиностойкость при этом снижается тврдость[47, 85]. Однако существует теория, что при значительном снижении размера зерна и переходе в область наноматериалов размер зерна становится сопоставимым с размером острия трещины Гриффитса. При этом возможно значительное повышение трещиностойкости материала при одновременном возрастании его тврдости.

промышленном масштабе в связи с неотработанной технологией и достаточно низкой производительностью. После отработки технологии эти направления могут совершить настоящую революцию в технологии производства твердых сплавов.

В России производство субмикронных и нанокристаллических порошков ультрамелкозернистой структурой невелики.

Одним из достижений отечественной твердосплавной промышленности является разработка особомелкозернистых сплавов ОМ, при разработке которых авторы ориентировались на технологию, состав и свойства сплавов группы М (мелкозернистых), для которых порошки вольфрама и карбида вольфрама получали по обычной технологии: W —> 900°, WC —> 1450 °С; затем интенсифицированный размол в течение 96 часов, из которых 48 часов размалывают карбид вольфрама, потом добавляют кобальт и еще размалывают часов, спекание ВК6-М при 1410±10 °С[40].

Сплавы ОМ (ВК6-ОМ, ВК10-ОМ, ВК15-ОМ) разрабатывали для обработки резанием особотвердых и абразивных материалов, когда предъявляются высокие требования к чистоте обработанной поверхности и точности размеров. До последнего времени на этих операциях применяли сплавы ВКЗ-М, ВК4-М, ВК6М, Т30К4, В253 (ВКЗ + 0,25 % VC), но все они из-за своей хрупкости, а сплав ВК6М из-за недостаточной износостойкости оказались малоэффективными.

Прежде чем был создан сплав ВК6-ОМ, проводились исследования по влиянию добавок VC и TaC (NbC) на свойства сплавов WC-Co. Система WC-Co формируется в результате спекания в присутствии жидкой фазы, образующейся на основе легкоплавкого компонента (кобальта). При этом тугоплавкий компонент частично растворяется в расплавленном кобальте. При температуре спекания наблюдается рост зерен карбида вольфрама. Наиболее сильным ингибитором роста зерна WC при спекании в жидкой фазе являются VC, NbC, TaC и СгЗС2 [40, 81]. Порошки VC и СгЗС2 используются при изготовлении отечественных сплавов с особо мелким зерном – серии ОМ, ХТМ и др.

Причем было установлено, что 2 % ТаС практически не снижают прочности сплава, a VC более 0,1 % снижает прочность. Исходя из этого и был выбран состав: 91,9 % WC; 6 % Со; 2 % ТаС; 0,1 % VC. Технология изготовления его аналогична сплаву ВК6-М, но время размола 120 ч.

Сплав ВК6-ОМ дает хорошие результаты по сравнению с отечественными и зарубежными сплавами подгрупп К05 и К10 по ИСО при точении и расточке некоторых марок жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, чугунов высокой твердости, в том числе и ковких закаленных сталей и алюминиевых сплавов.

Особенно эффективно его применять при обработке вольфрама и молибдена, а также при развертывании и шабровке стальных и чугунных деталей.

1.7.2. Особомелкозернистые сплавы ВК10-ОМ и ВК15-ОМ Для обработки труднообрабатываемых деталей с ударом применяют ВК10-ОМ и ВК15-ОМ (табл.1.9).

Рядом авторов установлено, что износ инструмента при точении труднообрабатываемых материалов носит, в основном, адгезионный характер, выражающийся в том, что обрабатываемый материал периодически «сваривается»

с материалом инструмента, а затем, при взаимном перемещении в местах сварки происходит разрушение, либо вырыв материала инструмента. Разрушение и вырыв частиц твердого сплава происходит тем интенсивнее, чем меньше прочность, особенно циклическая[83]. Интенсивность износа сплава также увеличивается с укрупнением карбидных составляющих сплавов.

Технология получения ВК10-ОМ и ВК15-ОМ аналогична ВК6-ОМ.

ВК10-ОМ следует применять при черновом и получерновом точении жаропрочных, высокопрочных сталей и сплавов (ЭИ437-Б, ЭП202, ЭИ762, Х18Н10-Т, ЭИ654, ЭИ993 и т.д.), титановых сплавов ВТ14, ВТ9 и др., W, Мо и их сплавов. Стойкость выше всех сплавов в 2-10 раз. Сплав ВК15-ОМ предназначен для особо тяжелых случаев обработки некоторых марок нержавеющих сталей, титановых и никелевых сплавов и сплавов вольфрама и молибдена.

Дальнейшим развитием особомелкозернистых сплавов являются сплавы, легированные карбидом хрома - сплавы типа ХОМ (0,8 % Сг3С2). Лабораторные и производственные испытания сплавов ВК10-ХОМ и ВК15-ХОМ при обработке жаропрочных труднообрабатываемых материалов показали, что они не уступают по стойкости сплавам группы ОМ, а в отдельных случаях имеют даже более высокую стойкость, при меньшей стоимости.

Твердые сплавы с ультрамелкозернистой структурой Ультрамелкозернистые сплавы получали при использовании порошков WC марок Г и В, оксидов хрома, тантала, ванадия, кобальта. В мельнице готовили смеси ВК с легирующими добавками по технологии, принятой для сплавов ОМ.

Применение высокотемпературного карбида вольфрама В и нормализирующего спекания, позволило повысить прочность сплава, но снизить значения твердости [40]. Дальнейшее уточнение состава сплавов по кобальту и легирующим добавкам и новый способ их введения позволили повысить износостойкость сверл для микроинструмента (табл.1.10).

Ультрамелкозернистые сплавы более мелкие, чем сплавы ОМ и ХОМ, можно получить за счет комплексного легирования сплавов WC-Co. Введение в сплав ВК10: 0,8 % Сг3С2, 1,5 % TiC, 1,5 % Мо2с, без изменения Таблица 1.10-. Состав и свойства сплавов WC-Co с субмикронной структурой [40] Номер п/п *Определено на нешлифованных образцах.

Таблица1.11 - Свойства сплавов М, ОМ, ХОМ, ХТМ [40] *Определено на нешлифованных образцах зерен WC-фазы менее 1 мкм составляет 85...90 %. Уровень свойств сплавов, получивших обозначение ХТМ (табл. 1.11), за счет более мелкого зерна WC-фазы, изменения свойств кобальтовой и карбидной существенно повышается.

В настоящее время примерно 30 фирм в мире производят субмикронные твердые сплавы, различные по составу. В частности, такие фирмы, как Kennametal Inc. (США), Krupp Widia GmbH, Hertel Kennametal AG (Германия), Sandvik Coromant (Швеция), Tizit AG (Австрия), Exstramet (Швейцария), Boehlerit GmbH (Австрия), Mitsubishi Metal Corp. и Sumitomo Electric (Япония), Iscar Ltd.H3pannb), Boart Int. (Германия) и др. [47].

Таблица 1.12-Состав и механические свойства твердых сплавов субмикронного класса, выпускаемых иностранными фирмами [40] Mitsubishi Metal Corp., Япония Здесь следует выделить патенты Sandvik Coromant (Швеция), занимающего более четверти мирового рынка.

Среди ключевых его международных патентов следует отметить:

- US 2011/0183832 Al Fine grained cemented carbide with refined structure;

- US 6228139 В1 Fine-carbide WC-Co cemented carbide;

- US 6613271 ВI Tungsten carbide cutting tool materials;

- US 7150897 B2 Method of making a cemented carbide tool and a cemented tool;

-US 74490-13 B2 Cemented carbide tool and method of making the same;

Кроме этого, Sandvik Coromant является обладателем и российских патентов, защищающих ключевые технологические решения Sandvik Coromant:

RU 2130822 «Способ приготовления порошков твердых сплавов»;

высокотемпературными и термомеханическими свойствами»;

заявка на изобретение №2006125430 «Твердосплавные инструменты для применения в горном деле и способ их изготовления».

1.8. Технология нанесения износостойких покрытий как эффективный метод повышения ресурса твердосплавных инструментов внимание повышению - надежности и производительности металлорежущего инструмента. В связи с этим разработка новых износостойких покрытий, прочностью является актуальной задачей. В последнее время в мире ведутся интенсивные исследования по получению сверхтвердых нанокомпозитных покрытий. Среди существующих методов наиболее распространен один из методов PVD (физического осаждения покрытий) нанесение покрытий потоком вакуумноплазменной металлической дуги [48].

Процессы PVD обычно включают в себя вакуумное испарение тугоплавкого металла, образование соединения покрытия, его частичную или полную ионизацию, подачу реакционного газа, химические и плазмохимические реакции, конденсацию покрытия на рабочих поверхностях изделия.

Возможность широкого варьирования температуры в зонах нанесения покрытий позволяет использовать вакуумно-плазменные методы в качестве универсальных методов для нанесения покрытий на изделия из твердых сплавов, быстрорежущих сталей и других материалов.

В России среди методов PVD наибольшее распространение получил метод конденсации покрытий из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхностей изделия (КИБ) [49]. Метод КИБ основан на генерации плазмой токопроводящих веществ катодными пятнами вакуумной дуги сильноточного низковольтного разряда, горящего в парах металла охлаждаемого эродируемого катода.

Все процессы испарения, реакций, ионной бомбардировки и конденсации самого покрытия происходят в вакуумной камере, которая служит анодом. На деталь подается отрицательное напряжение (напряжение смещения).

Данный метод универсален с точки зрения возможности получения широкой гаммы монослойных, многослойных и композиционных покрытий на базе нитридных, карбидных и карбонитридных соединений тугоплавких металлов IV VI группы периодической системы.

распространение получили вакуумные ионно-плазменные покрытия на основе нитрида титана. Вместе с тем, ресурс повышения эффективности за счет применения TiN практически исчерпан и необходимо дальнейшее развитие функциональных возможностей, т.е. получение многокомпонентных и композиционных покрытий сложного состава.

Механические свойства поликристаллических материалов в основном определяются размерами зерен. Поликристаллические материалы со средним нанокристаллической структурой. Повышение уровня физико-механических свойств материала происходит за счет уменьшения зерен, а также легирования одноэлементных нитридов с получением многокомпонентных покрытий с размерами зерен > 100 нм. Свойства таких покрытий определяются в основном химическим составом катода.

Научный и практический интерес представляет изучение возможности получения вакуумно-дуговых нанокомпозитных покрытий многокомпонентных катодов на основе тугоплавких соединений переходных металлов - карбидов и боридов титана. Традиционными способами получения композиционных материалов на основе тугоплавких соединений являются спекание или горячее прессование. Данные технологии энергоемки, многостадийны и требуют применения дорогостоящего оборудования. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) служит альтернативой этим технологиям [111]. Процесс получения целевого продукта происходит за счет выделения тепла в результате химических реакций и не требует внешней энергии. Высокая температура СВС-процесса (выше 2000°С ) позволяет синтезировать материалы на основе тугоплавких соединений в волне горения. Реакции с выделением тепла позволяют вводить в смесь порошков - реагентов инертные компоненты и получать разнообразные по составу материалы.

Изучение известных материалов о вакуумно-дуговых покрытиях на основе тугоплавких соединений титана показывает, что в настоящее время наиболее перспективными для синтеза нанокомпозитных покрытий являются катоды содержащие алюминий и кремний [112-113].

Актуальной задачей стало выяснение влияния нанесения ионно-плазменных покрытий на основе СВС катодов на эксплуатационный ресурс режущих инструментов (фрезы, сверла), используемых в производстве ОАО «Волгабурмаш».

Проведенный выше литературный обзор показал актуальность следующих задач, на решение которых и направлена настоящая диссертация:

1. Повышение характеристик существующих буровых твердых сплавов за счет подбора оптимальных технологических режимов.

2. Разработка твердого сплава с повышенной трещиностойкостью.

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

4. Установление возможности применения в производстве инструментальной оснастки твердых сплавов на основе высокотемпературных карбидов вольфрама с повышенными характеристиками износостойкости и пластичности взамен традиционно применяемых.

5. Проведение сравнительного анализа свойств режущего твердого сплава ВК10ОМ отечественного производителя и бурового сплава ВК6С производства ОАО «Волгабурмаш». Исследование возможности применения сплава ВК6С как альтернативы сплаву ВК10-ОМ в производстве заготовок сверл и фрез.

6. Исследование и испытания новейших разработок в нанесении СВС- покрытий на заготовки режущего инструмента, применяемого в производстве буровых долот.

2. МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

2.1. Материалы: сырье и вспомогательные материалы получаемый при термоокислительном разложении жидкого углеводородного сырья, с низким показателем дисперсности и средним показателем структурности Плотность 1,8-2,0 г/см3. Химический состав С (не менее 89%), до 5% хемосорбированного О2, до 0,5% Н2, до 1,1% S и до 0,5% минеральных примесей.

Технический углерод марки Т-900, используется в качестве подшихтовки для корректировки углеродного баланса на операции дозирования весового при изготовлении твердого сплава в ОАО "Волгабурмаш. По физико-техническим показателям сажа марки Т-900 должна соответствовать требованиям и нормам ГОСТ 7885, которые сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 – Физико-технические свойства сажи Т- Удельная Порошок кобальта, поставляемый на ОАО "Волгабурмаш" должен соответствовать следующим свойствам:

1. Химический состав кобальта порошка:

Кальций (Са) Не более 0,05% Кремний (Si) He более 0,03% 2. Физические характеристики:

Размер частиц по Фишеру - 1,1-1,5 мкм.

3.Кобальт должен быть получен оксалатным способом.

Карбид вольфрама порошкообразный марок WC3 и WC7 должен соответствовать требованиям технических условий ТУ 48-4205-83-2007.

Исходным сырьем для изготовления карбида служит вольфрам по СТО 00196144и углерод технический марки П803 по ТУ 2166-001-00149707-98 или Т900-Т по ТУ 412-853- Температура карбидизации должна быть 1800°С.

Карбид вольфрама по содержанию общего углерода, свободного углерода а также примесей должен соответствовать требованиям табл.2.2.

Таблица 2.2 – Технические требования на химический состав порошка WC Наименование компонентов и примесей Массовая доля, % Средний размер частиц порошка карбида вольфрама по Фишеру, должен быть:

- для WC3 - (2,5 - 3,5) мкм;

- для WC7 - (6,0 - 8,0) мкм.

Порошок карбида вольфрама должен проходить через сито с сеткой № 018 (80 меш) по ГОСТ 6613.Гранулометрический состав карбида вольфрама определяется факультативно.

2.1.4. Гранулированный твердосплавный порошок твердосплавных комплектующих буровых долот (зубки, гидромониторные насадки, пяты и др.) и изготавливаются в соответствии с требованиями Стандарта Предприятия СТП 05749180-582-07. Химические составы твердосплавных гранулированных смесей сведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3 – Химический состав твердосплавных смесей Твердые парафины должны изготавливаться в соответствии с ГОСТ 23683.

Парафин – смесь высокомолекулярных углеводородов С18 С35, преимущественно алифатического нормального строения, получаемая при перегонке нефти[55].

Нефтяной парафин кристаллического строения, применяемый в качестве пластифицирующего вещества в твердых сплавах, получается из дистиллятного сырья.

По степени очистки твердые нефтяные парафины подразделяются на высокоочищенные и очищенные. В производстве твердого сплава ОАО «Волгабурмаш» используется только высокоочищенный парафин П-2. По физикохимическим показателям парафин П-2 должен соответствовать требованиям и нормам табл. 2.4.

Таблица 2.4 – Физико-химические свойства нефтяного парафина марки П- Пенетрация иглой при 25°С, единицы, не более В качестве добавки к парафину для улучшения процесса сушки распылением в ОАО «Волгабурмаш» применяют воск пчелиный пасечный ГОСТ Р 52099-203, ГОСТ 21179- Технические условия распространяются на слитки из вольфрамо-медного сплава марки ВМ, предназначенные для использования в электровакуумном производстве и для электроэрозионной обработки.

Технические требования на слитки из сплава ВМ по ТУ 48-19-38-86 и ВД-МП по ТУ 14-I-3927-85.

В обозначении материала ВД-МП по буквы означают: В - вольфрам, Д - медь, МП - материал порошковый.

Слитки из вольфрамо-медного сплава должны соответствовать требованиям настоящих технических условий.