Исследование и повышение надежности работы твердосплавных элементов буровых коронок Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© К.И. Шахова, Д.Ю. Ковалевская, 2004

УДК 669.85./86.054.8

К.И. Шахова, А.Ю. Ковалевская

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ БУРОВЫХ КОРОНОК

Семинар №17

Буровая коронка представляет собой конструкцию, состоящую из корпуса и породоразрушающего элемента (рис. 1). Поэтому для увеличения срока службы буровых коронок необходимо решать вопрос повышения долговечности, как корпусов, так и твердосплавных вставок.

В качестве материала для изготовления корпусов буровых коронок чаще всего используется термоупрочненная среднеуглеродистая сталь 30ХГСА и 35ХГСА. Физикомеханические свойства стали после термической обработки приведены в табл. 1.

Рис. 1. Основные типы буровых коронок (ГОСТ 17196-77): а — коронка долотчатая пластинчатая (КДП); б — коронка крестовая пластинчатая (ККП); в — коронка трехперая штыревая (КТШ), г — коронка неперетачиваемая штыревая (КНШ)

Для оснащения буровых коронок применяют твердосплавные вставки призматической или цилиндро-сферической формы. Наибольшее распространение получили вольфрамокобальтовые твердые сплавы благодаря их высоким эксплуатационным свойствам и простоте армирования инструмента. Твердые сплавы группы ВК получают спеканием смеси порошков монокарбида вольфрама и кобальта при температуре 1380-1480 °С. Монокарбид вольфрама -соединение твердостью 1730 кгс/мм2 и температурой разложения 2600 °С - представлен в сплавах в виде зерен размером порядка 1-5 мкм (основная масса). Кобальт в сплаве является цементирующей составляющей. Твердость кобальта в 4-5 раз ниже, чем карбида вольфрама, температура плавления 1350 °С [1]. Сущность получения

Свойства стали (ГОСТ 4345-71)

Марка Твердость Предел те- Временное Относи- Относи- Ударная

стали НВ, кучести сопротивле- тельное тельное вязкость

не более от, Н/мм2 ние Ов, Н/мм2 удлинение 8, % сужение ¥, % кси, Д^/см2

35ХГСА 241 1275 1620 9 40 39

Таблица 2

Режимы получения WC - сплавов.

Г руппа температура по- Температура Размол сме- Температура спекания, °С

сплавов лучения Ш. °С карбидиза-ции, си I стадия II стадия

WC-CO 1стадия Нстадия °С ШС + СО, ч

вк 750 850 1450 48 650-700 1450

вк-вк 800 900 2000 48 650-700 1450

вк-в 1200 - 1800 72-24 650-700 1450-1480

вк-кс 900 1200 2200 18 1100-1150 1380-1420

Таблица 3

Свойства твердого сплава (ГОСТ 3882-74)

Марка сплава Средний размер зерен, мкм Плот- ность, г/см3 Твердость ИНД, не менее Е, Н/мм2 И Н200, Н/мм2 Н/мм2, не менее Осж, Н/мм2

ВК8 1-3 ю со 11 88,0 722000 585000 0,20 21000 1666 4159

высокотемературного карбида вольфрама -температура восстановления вольфрамового ангидрида до двуокиси вольфрама составляет 900 °С, температура восстановления двуокиси вольфрама до вольфрама составляет 1200 °С, карбид вольфрама получают при 2200 °С.

Температурные режимы получения вольфрамокобальтовык сплавов приведены в табл. 1 [2]. Следует отметить, что технологические отличия изготовления указанный твердых сплавов заключаются в основном в режимах получения вольфрамокобальтового порошка.

Применение при производстве твердык сплавов новых технологических процессов, таких как спекание в вакуумно-компрессив-ных печах, под давлением инертного газа и горячее изостатическое прессование в сочетании с легированием позволяют получить сплавы с высоким уровнем физико-механических свойств и уменьшенной остаточной пористостью сплавов. Технологический процесс горячего изостатического прессования включает нагревание спекающегося цементированного карбида при давлениях порядка 100 МН/м2 в атмосфере аргона до температуры, при которой фаза цементи-

рующего вещества становится жидкой, обынно около 1350 °С [3]. Применение горячего изостатического прессования повышает предел прочности при изгибе твердых сплавов на 15-20 %, а в ряде случаев на 3050 %, т. е. порядка 3500-4000 Н/мм2 [4]. Однако использование подобных технологий осуществляется, как правило, лишь зарубежными производителями. Оборудование для прогрессивных методов получения вольфрамокобальтовык сплавов высокого качества является дорогостоящим. К сожалению, в отечественной практике на существующем оборудовании, как правило, применяется лишь способ получения спеканием в атмосфере водорода. Поэтому в дальнейшем будут предложены возможные варианты улучшения характеристик твердых сплавов, учитывающие технологические процессы отечественного производства.

Согласно ГОСТ 6086-75, твердосплавные изделия должны быпъ подвергнуты виб-рообъемной обработке [5].

Формы и размеры вставок из твердого сплава регламентированы ГОСТ 880-75 [6]. Свойства твердого сплава, используемого наиболее часто в буровых коронках, приведены в табл. 3.

Определение напряжений в летали от действия МИО на основании рентгеноструктурных исследований

35ХГСА Закалка 880-890, Отпуск 560

Исход- МИО- МИО- МИО- Увеличение Увеличение Увеличение Увеличение на- Увеличение Увеличение

ный перпен- перпен- перпендику- напряже- напряжений 1 напряже- пряжений 2 напряжений 2 напряже-

дикуляр- дикуляр- лярно. Сня- ний 1 рода рода под по- ний 1 ро- рода в поверх- рода под по- ний 2 ро-

но. По- но. Пов. то половина в поверх- верхностью дав нентре ности верхностью дав нентре.

верх- слой снят образна ности

ность

2,0292 2,0264 2,0259 2,0272 -83,0672 -97,9007 -59,3337 -296,6686 -349,6452 -211,9062

1,433 1,433 1,4324 1,4345 0 -25,2059 63,0147 0 -90,0209 225,0523

1,1701 1,1694 1,1695 1,1701 -36,014 -30,8692 0 -128,6215 -110,247 0

1,0136 1,013 1,0133 1,0134 -35,6354 -17,8177 -11,8785 -127,2691 -63,6346 -42,423

35ХГСА Отжиг 880-890.

2,0306 2,0274 2,0287 -94,8685 -56,3282 -338,8161 -201,1721

1,4347 1,4344 1,4335 -12,588 -50,352 -44,9571 -179,8285

1,1709 1,1704 1,1696 -25,7067 -66,8375 -91,8097 -238,7053

1,0136 1,0135 1,013 -5,9392 -35,6354 -21,2115 -127,2691

Таблица 5

Свойства стали после МИО

Марка стали Твердость НВ, не более Предел текучести пТ, Н/мм2 Временное сопротивление оВ, Н/мм2 Относительное удлинение 3, % Относительное сужение ¥, % Ударная вязкость КСи, Дж/см2

35ХГСА 279 1290 1360 11 40 39

Таблица 6

Результаты рентгенографического исследования твердого сплава ВК8

Состояние ГЇ211, Д Ь, мкм

Исходное 1,0154 3,51

После МИО 1,0152 1,23

Для повышения долговечности буровыгх коронок предлагается использовать метод магнитно-импульсной обработки (МИО), который позволяет изменять свойства, как материала державки, так и твердого сплава. Для назначения режимов МИО нами проведены исследования по влиянию МИО на свойства стали и твердого сплава.

Сталь исследовалась в состоянии поставки, и после упрочнения. В качестве метода исследования использовался микро-структурный и рентгеновский фазовый анализ. В результате электромагнитного воздействия происходит изменение микроструктуру с измельчением размера зерна и ее расположением в направлении приложенного поля.

Такая деформация не может не вызвать возникновения напряжений I и II рода. Определение величины напряжений и их знака проведено методом рентгеновского анализа по увеличению ширины линий на рентгенограмме и изменению межплоскостного расстояния. Влияние МИО на величину остаточных напряжений приведено в табл. 4.

1. Крапивин М.Г. Горные инструменты. - M.: Недра, 1979.

2. Линдо Г.В., Чистякова B.A., Песков БЛ., Байтлер З.М. Исследование пластических свойств и износостойкости буровых твердых сплавов / Структура и свойства твердых сплавов: Сборник научных трудов / под ред. H.A. Кудри. - M.: Mеталлуpгия, 1983.

3. Lardner E. Isostatically hot pressed cemented carbide and its utilization in mining tools / Mining Magazine, 1974, v.130, №1, р.р. 35-36, 39.

4. Линдо r.B. Перспективные направления совершенствования твердых сплавов для бурового инструмента и резцов проходческих и добычных комбайнов./ Новое в теории, технологии и технике бурения: Тезисы докладов на семинаре 21-23 ноября 1990г. - M.: Институт горного дела им. A.A. Ско-чинского, 1991.

в табл. 5 отображены физико-механические свойства стали после MИO.

Исследование твердого сплава проведено методом рентгеновского фазового анализа, в области малых углов наблюдается смешение линии (110) и уменьшение полуширины линии, Mакcимум сдвигается в сторону больших углов, что свидетельствует об уменьшении межплоскостных расстояний, Исследования проведены по линии (211), Для того чтобы исключить случайные ошибки, рентгенограммы снимались трижды, Полученные результаты по величинам параметра решетки, размерам кристаллитов приведены в табл. 6,

Как видно из приведенных данных, в результате MИO происходит измельчение кристаллитов и создании напряжений сжатия.

в связи с тем что при MИO происходит объемное изменение свойств, то такие изменения приведут к увеличению долговечности как при изнашивании так и при переменных нагрузках, характерных для работы бурового инструмента,

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1

5. ГОСТ 6086-75. Коронки буровые для перфораторов. Технические требования. - Mocква: Издательство стандартов.

6. ГОСТ 880-75. Изделия твердосплавные для горного инструмента. Форма и размеры. - Mo-сква: Издательство стандартов.

7. Поляк М.С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения. в 2 т. Т 2. - Mo-сква: Ё. в. M. - СКРИПТ, Mашинocтpoение, 1995. -688 с.

8. Уманский Я.С., Трапезников A.K., Китайгородский A.M. Рентгенография. - M.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1951, 310 с.

9. Новиков И.И., Строганов r.B., Новиков A.H. Mеталлoведение, термообработка и рентгенография. - M.: M^^, 1994. - 480 с.

— Коротко об авторах----------------------------------------------------------------

Шахова Кира Ивановна - кандидат технических наук, доцент, Московский государственный горный университет.

КовалевскаяАЮ. - Московский государственный горный университет.