CC BY
49
DOI: 10.47581/2020/30.10.2020/SMTT/32.5.005
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ СПЕКАНИЯ ТВЕРДОГО
СПЛАВА WC-СО НА ЕГО СТРУКТУРУ, ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ
И ПРОЧИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
1 2
Жадяев Александр Александрович , аспирант, инж.-технолог 1 кат. (e-mail: alexander-zhadyaev@yandex.ru) Захаров Дмитрий Александрович1, к.т.н., нач. цеха порошковой металлургии АО «Волгабурмаш» (e-mail: zaharov.dmi@yandex.ru) Амосов Александр Петрович2, д. ф.-м. н., профессор, зав. кафедрой «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» (e-mail: egundor@yandex.ru) 1 - АО «Волгабурмаш», г. Самара, Россия;
2 - Самарский государственный технический университет,
г. Самара, Россия
В ранее опубликованных авторами работах проводилось исследование свойств твердосплавных изделий, производимых на АО «Волгабурмаш». Данная статья посвящена изучению вопросов влияния температуры синтеза твердого сплава состава WC-Co на физико-механические свойства и возможности подбора индивидуальных условий спекания для сплавов с различным содержанием связующей фазы Со, с целью получения требуемых характеристик для применения в указанных рабочих условиях.
Изготовлено два комплекта образцов твердого сплавов группы ВК-С, с содержанием кобальта от 6 до 15% масс., применяемых для изготовления твердосплавного вооружения буровых долот АО «Волгабурмаш», а также образцы сплава VK10 производства Китай (состава WC-10Co). Каждый комплект был спечён в вакуумно-компрессионных печах при «низкой» (Тспек. = 1370°С) и «высокой» температуре (Тспек. = 1450°С) в допустимых границах температур для данного содержания кобальта, в присутствии жидкой фазы. Исследование проводилось с целью изучить влияние температуры спекания на микроструктуру сплава, размер зерен WC и физико-механические свойства изделий, одним из которых является трещино-стойкость. Параметр трещиностойкости образцов оценивался с помощью метода Палмквиста.
Ключевые слова: Карбид вольфрама, трещиностойкость твердого сплава, влияние условий синтеза, структура сплава, распространение трещины в структуре сплава, градиентные сплавы,
Введение
Современное строительство нефтяных и газовых скважин характеризуется непрерывным ростом силовых и скоростных режимов бурения, которое прямо зависит от надежности основного породоразрушающего инструмента - буровых шарошечных долот. Важной задачей в их производстве
является повышение механических и эксплуатационных свойств породо-разрушающих элементов долота - твердосплавного вооружения. [1]
Потребность в твердых сплавах с улучшенными эксплуатационными характеристиками для различных областей применения, в частности для добычи полезных ископаемых, строительстве, в Российской Федерации (РФ) и в мире с каждым годом быстро растет. [2]. Срок службы изнашиваемых вольфрамокобальтовых деталей можно увеличить различными способами: изменением состава, условия синтеза, варьирование термо-физических свойств карбида, подбор геометрии и конструкция компонентов, сборка и механика, а также химическая среда, в которой они работают.
Свойства твердых сплавов обусловлены высокой прочностью тугоплавких карбидов (альфа-фаза), сцементированных пластичным металлом связкой (бета-фаза).
Целью настоящей работы является исследование влияния температуры спекания твердосплавных зубков буровых долот на микроструктуру и физико-механические свойства, определяющие их эксплуатационные характеристики. Дополнительно ставилась задача получить представление о взаимодействии распространяющейся трещины с элементами структуры сплавов WC-Co образованной после испытания на внедрение индентора (анализ трещиностойкости или вязкости разрушения по методу Палмкви-сту)
Материалы и методика экспериментальных исследований.
При проведении работы использовался порошок карбида вольфрама марки WC7 (FSSS = 6.9мкм) и порошок Co (FSSS = 1.45), готовая смесь производства Китай состава (WC-10Co) исходный размера зерна WC FSSS = 4,5мкм в качестве пластификатора при прессовании использовался парафин технический. Спекание образцов производилось в вакуумно- компрессионных печах VKPgr 50-50-90 фирмы ALD Vacuum Technologies на АО «Волгабурмаш». Испытание на ударную вязкость (Трещиностойкость) проводилось при внедрении индентора НП-2 на приборе Виккерса по методике Палмквиста IS028079:2009. Коэрцитивную силу сплавов определяли на приборе LDJ COERCIMETER cm-8000 в соответствии с ISO 3326:2013. Предел прочности при поперечном изгибе определяли по ГОСТ 20019-74. Твердость по Роквеллу HRA - на приборе «louis small 8U» - с твердосплавными мерами твердости по ГОСТ 20017-74. Отпечатки с трещинами на сплавах после вдавливания индентора исследовали с помощью оптического микроскопа «Axiotech» 100 HD-3D Carl Zeiss (Германия) . Исследование поверхности сплавов, а также определение размера зерен проводили на сканирующем электронном микроскопе JeolJSM 6390A.
В ранее проведенных работах [3-5] для установления фактических значений K1c твердых сплавов, применяемых для вооружения долот, проводился анализ трещиностойкости по методу Палмквиста Wk (единица изме-
3/2
рения МН>м- ). K1c - структурно чувствительная характеристика, измерение которой позволяет оценить чувствительность сопротивления мате-
риала распространению трещины. [6] Спекание проводилось при стандартных температурах, указанных в технологическом процессе предприятия АО «Волгабурмаш». (Тшек = 1400±15°С)
Твердые сплавы состава WC - Со с размером зерна WC 2,5...6 мкм обычно относятся к крупнозернистым сплавам - Однако по сравнению с мелкозернистыми сплавами твердость, износостойкость и прочность твердых сплавов с крупными зернами все еще невысоки. Многие исследования были посвящены модификации фазы Со и размера зерна WC путем регулирования параметров спекания [7-9]. Несмотря на то, что механические свойства могут быть изменены таким образом, данные улучшения имеют ряд ограничений. Кроме того, часто возникают конфликты между разными свойствами, например, твердостью и вязкостью разрушения.
В настоящее время температура спекания твердого сплава с крупными зернами обычно примерно на 30 ° С выше, чем у твердого сплава с мелким зерном [10]. Однако повышение температуры или увеличение времени спекания приводит к появлению аномального роста зерна [11].
Результаты испытаний и их обсуждение.
Для изучения влияния условий синтеза на свойства твердосплавных изделий была проделана работа по варьированию температуры спекания для сплавов разного состава. Процесс проводился при «низкой» (Тспек. = 1370°С) и «высокой» температуре (Тспек. = 1450°С ) в допустимых границах температур для данного содержания кобальта, в присутствии жидкой фазы. [12] Исследованные характеристики сплавов представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 - параметры сплавов, спечённых при «низкой» температуре.
Тспек. = 1370°С
Сплав ВК15С ВК10С ВК6С Китай (аналог ВК10С)
Содержание Со, % 15 10 6 10
Плотность, кг/м3 13,98 14,51 14,91 14,53
Коэрцитивная сила,э 79 88 132 101
Предел прочности при поперечном изгибе, кгс/мм2 313 260 242 310
Твердость ИЯЛ 87,3 88,6 90,3 89,1
Трещиностойкость К1с, МНхм"3/2 20,3 17,1 13,1 16,8
Средний размер зерна, мкм 2,4 2,5 2,2 2,4
Средняя длина трещины, мкм 60 99 99 101
Для исследования микроструктуры твердых сплавов необходимо приготовить микрошлифы. Шлифовку образцов проводят на алмазных кругах зернистостью 100 мкм и 40 мкм, полируют на кругах с применением алмазных паст. [12] Техническим результатом является получение высокой степени наглядности структуры кобальтовой фазы твердого сплава. [13] Объемная картина распределения дефектов кобальтовой фазы существен-
но дополняет применяемые металлографические методы контроля качества твердых сплавов. [14]
На рисунке 1 приведены фотографии микроструктуры сплавов, спеченных при низкой температуре.___
1.3 1.4
Рисунок 1 - микроструктура сплавов, Тспек. = 1370°С, увеличение х2000 1.1 - сплав ВК15С, 1.2 - сплав ВК10С, 1.3 - сплав ВК6С, 1.4 - Китай (аналог ВК10С)
Спеченный карбид вольфрама, состоящий из больших объемных долей - частиц WC в кобальтовой металлической матрице представляет собой металлокерамический композитный материал. Хорошо известно, что твердость металлокерамических материалов обратно пропорциональна размеру их зерен и трещиностойкость обратно пропорциональна твердости, хотя соотношение между твердостью и вязкостью разрушения может не совпадать - быть линейным, когда размер зерна очень мелкий. [15]
Таблица 2 - параметры сплавов, спечённых при «высокой» температуре.
Тспек. = 1450°С
Сплав Вк15С ВК10С ВК6С Китай (аналог ВК10С)
Содержание Со, % 15 10 6 10
Плотность, кг/м3 13,99 14,52 14,92 14,52
Коэрцитивная сила , э 76 88 132 94
Предел прочности при по-перч изгибе, кгс/мм2 316 280 294 315
Твердость ИЯЛ 87,2 88,6 90,3 88,7
Трещиностойкость К1с, МНхм"3/2 23 19,6 12,6 18,8
Средний размер зерна, мкм 2,5 2,6 2,3 2,7
Средняя длина трещины, мкм 50 72 106 76
20кУ Х2,000 Юнт
2.3 2.4
Рисунок 2 - микроструктура сплавов, Тспек. = 1450°С, увеличение х2000 2.1 - сплав ВК15С, 2.2 - сплав ВК10С, 2.3 - сплав ВК6С, 2.4 - Китай (аналог ВК10С)
Анализ следов трещин, распространяющихся от углов отпечатков ин-дентора показал, что для образцов характер прохождения трещины в основном является межзеренным. [16] Построив зависимость средней длины трещины от содержания кобальта в сплаве видно, что происходит заметное
сопротивление распространению трещины в зависимости от количества Со-фазы, рисунок 3.
120,00
110,00
Средняя длина трещины
■ 1спек. =
■ Тгпрк. = 1ДЧ0°Г
| 106,00
101,00 99,00 ц
80,00
70,00
Содержание Со, % (по массе)
Рисунок 3 - зависимость средней длины трещины от содержания Со, %
Особенности взаимодействия трещины, распространяющейся от отпечатка при внедрении индентора, с элементами структуры образцов показано на рисунках 4 и 5.__
ВК6С Китай (Со 10% масс.)
Рисунок 4 - взаимодействие трещин со структурой сплавов WC-Co при
Тспек. = 1370°С
Для образцов, спеченных при «низкой температуре» Тспек. = 1370°С характерен характер распространения трещин - транскристаллитный.
ВК6С Китай (Со 10% масс.)
Рисунок 5 -взаимодействие трещин со структурой сплавов WC-Co Тспек. = 1450°С
Для образцов, спеченных при «высокой температуре» (Тспек. = 1450°С) распространение трещины происходило в основном по межфазной области, по связке.
Принимая во внимания длину и характер распространения трещин, есть основания полагать, что существует связь между температурой спекания, влияющей на размер зерна WC, и способностью сплава сопротивляться распространению трещин в результате нагрузки. На микрофотографиях поверхности сплава, рисунок 1,2,4,5 виднеются пустоты вокруг зерен WC, возможно, вызванные плохой диффузией и их смачиванием связующей фазы Со в процессе спекания.
В однородных цементированных карбидах прочность на поперечный разрыв также в основном зависит от содержания и размер зерна WC [17].
За последние два десятилетия значительные исследовательские усилия были направлены на синтез и спекание наноразмерных порошков карбида вольфрама для производства материалов WC-Co с нанокристаллической зерненой структурой. Спеченный карбид вольфрама с нанокристалличе-
ской зерненой структурой имеет возможность значительно улучшить механические свойства этих материалов.
Основная проблема при изготовлении готовых инструментов связана с сохранением нанозернистой структуры после необходимого спекания детали из наноразмерных порошков. Было представлено много процессов спекания, но во всех случаях механизм роста зерна становится основным ограничивающим фактором в создании настоящего нанокристаллического твердосплавного инструмента состава WC - Со.[15]
Выводы и дальнейшие перспективы исследования
Распространение трещины по межфазной области считается более предпочтительной моделью разрушения, т.к. когда трещина распространяется по границам зерен WC или через зерна WC, раскалывая их - происходит не полный ресурс работы разрушения сплава. Об этом свидетельствуют данные по К1с (см табл 1 и 2, которые указывают на более высокие значения К1с при Тспек. = 1450°С. Что касается влияния температуры на твердость рассматриваемых сплавов, то разница в значениях наблюдается только у сплава УК10 (Китай), т.к средний размер исходного карбида WC ниже чем у остальных рассматриваемых сплавов, из-за чего наблюдается более интенсивный рост зерен WC при Тспек. = 1450°С.
В дальнейшем, продолжая цикл исследований и попытки улучшения свойств серийных сплавов группы ВК-С на производстве АО «Волгабур-маш» планируется проведение работ по изучению возможности создания функционально-градуированного твёрдого сплава (ФГТВ), обеспечивающего приемлемое соотношение между значениями твердости и трещино-стойкости, путем науглероживания образцов спеканием в среде природных газов. Во время процесса науглероживания, градиент углерода вызывает миграцию кобальта, и, таким образом, создает кобальтовый градиент, влияющий на физико-механические характеристики изделия по объему. Также, интересным является попытка проверить предположение о том, что твердая поверхность ФГТВ может подавлять образование трещин путем высвобождения концентрации напряжений промежуточным обогащенный кобальтом слоем, тем самым предотвращая распространение трещин из-за пластической деформации ^-фазы. [18]
Список литературы
1. Нассиф Сулейман Нассиф. Разработка методики ускоренных испытаний твердосплавных зубков шарошечных долот на стойкость к ударным циклическим нагрузкам : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.01, 01.02.06 Самара, 2007 196 с., Библиогр.: с. 175-187 РГБ ОД, 61:07-5/4466.
2. Авдеенко, Е.Н. Разработка нового поколения иерархических крупнозернистых твердых сплавов с особо однородной структурой. [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 05.16.06/ Авдеенко Евгений Николаевич; - Москва: МИСиС 2019. - 147 с.
3. Захаров Д. А., Жадяев А. А. Пути повышения качества твердосплавного вооружения буровых долот/ Металлургия машиностроения. - 2020. - №5. С. 32-36.
4. Жадяев А.А. Исследование трещиностойкости вольфрамокобальтовых сплавов ВК10С производства АО «Волгабурмаш» и УК10 производства Китай / ЗА НАМИ БУДУЩЕЕ: взгляд молодых ученых на инновационное развитие общества: Сборник
научных статей Всероссийской молодежной научной конференции (05 июня 2020 года), в 4-х томах, Том 3, Юго-Зап. гос. ун-т., Курск: Юго-Зап. гос. ун-т., 2020, с.238-242. ISBN 978-5-907311-76-3].
5. Жадяев А. А. Сравнительный анализ порошков сплава ВК10С производства АО «Волгабурмаш» и VK10 производства Китай // Молодежь и системная модернизация страны: Сборник научных статей 5-й Международной научной конференции студентов и молодых ученых (19-20 мая 2020 года), в 6-х томах, Том 5, Юго-Зап. Гос. ун-т., Курск: Юго-Зап. гос. ун-с., 2020. С. 246-250
6. Кушаренко В.М. Дефекты и повреждения деталей и конструкций: монография / В.М. Кушаенко, В.С. Репях, Е.Ю. Чирков, Е.В. Кушнаренко; Оренбургский гос. ун-т: -Оренбург: ОГУ, 2011. - 402с.: ил.]
7. I. Konyashin, B. Ries, F. Lachmann, Near-nano WC-Co hardmetals: will they substitute conventional coarse-grained mining grades? Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 28 (4) (2010) 489-497.
8. J.M. Marshall, A. Kusoffsky, Binder phase structure in fine and coarse WC-Co hard metals with Cr and V carbide additions, Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 40 (2013) 27-35.
9. I. Borgh, P. Hedstrom, A. Borgenstam, J. Agren, J. Odqvist, Effect of carbon activity and powder particle size on WC grain coarsening during
10. R.M. Raihanuzzaman, Z. Xie, S.J. Hong, R. Ghomashchi, Powder refinement, consolidation and mechanical properties of cemented carbides—an overview, Powder Technol. 261 (2014)1-13.
11. M. Sommer,W.-D. Schubert, E. Zobetz, P.Warbichler, On the formation of very large WC crystals during sintering of submicron WC-Co alloys, Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 20 (1) (2002) 41-50.
12. Богодухов С.И., Бондаренко Е.В., Проскурин А.Д. и другие Материаловедение и технологические процессы машиностроительного производства: Лабораторный практикум/ Под общей редакцией Заслуженного деятеля науки РФ, член-корреспондента Академии инженерных наук РФ, доктора технических наук, профессора, заведующего кафедрой материаловедения и технологии материалов Богодухова С.И. -Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 409с.]
13. Olovsjo S. Surface failure and wear of cemented carbide rock drill buttons—The importance of sample preparation and optimized microscopy settings / S. Olovsjo, Richard J. , Flor F., Ulf B., Mikael O. // Wear. - Vol. 302, 2013. P. 1546-1554
14. Волков В.А., Богомолов Р.М., Филатов Н.В., Ищук А.Г., Гавриленко М.В., Нассиф С.Н. Способ контроля качества твердосплавных зубков для буровых долот. Патент России №2006132557/28 МПК G01N 27/00 от 27.01.2008. Бюл. №3
15. Zak Fang Z. Synthesis, sintering, and mechanical properties of nanocrystalline cemented tungsten carbide - A review / Z. Zak Fang, X. Wang, T. Ryu, K. S. Hwang, H.Y. Sohn // Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials, Vol. 27, 2009, P. 288-299
16. Beste U. Surface damage on cemented carbide rock-drill buttons / U. Beste, T. Hartzell, H. Engqvist, N. Axen // Wear Vol. 249, 2001 P. 324-329
17. D.G.F. O'Quigley, S. Luyckx, M.N. James, New results on the relationship between hardness and fracture toughness of WC-Co hardmetal, Mater. Sci. Eng. A 209 (1) (1996) 228-230
18. X.F. Li, Y. Liu, B. Liu, J.H. Zhou, Effects of submicronWC addition on structures, kinetics andmechanical properties of functionally graded cemented carbides with coarse grains, Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 56 (2016) 132-138.
Zhadyaev Alexander Alexandrovich12, graduate student, process engineer 1 rank (e-mail: alexander-zhadyaev@yandex.ru)
Zakharov Dmitri Alexandrovich1, Cand.Tech.Sci., Head of the powder metallurgy workshop of «Volgaburmash» JSC (e-mail: zaharov.dmi@yandex.ru)
Amosov Alexander Petrovich2, Dr. Sci. in Physics and Mathematics, professor, the head of department «Metallurgy, powder metallurgy, nanomaterials» (e-mail: egundor@yandex.ru)
1 - «Volgaburmash» JSC
2 - Samara State Technical University, Samara, Russia
STUDY OF THE INFLUENCE OF THE SINTERING CONDITIONS OF THE WC-CO HARD ALLOY ON ITS STRUCTURE, CRACKING RESISTANCE, AND OTHER PHYSICAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS
Abstract. In the works previously published by the authors, the study of the properties of carbide products manufactured at JSC "Volgaburmash" was carried out. This article is devoted to the study of the influence of the synthesis temperature of a hard alloy of the WC-Co composition on the physical and mechanical properties and the possibility of selecting individual sintering conditions for alloys with different contents of the Co binder phase in order to obtain the required characteristics for use under the specified operating conditions. Two sets of samples of hard alloys of the VK-S group, with a cobalt content of 6 to 15% by weight, used for the manufacture of hard alloy drilling bits at Volgaburmash JSC, as well as samples of the VK10 alloy made in China (WC-10Co composition) were made. Each set was sintered in vacuum-compression furnaces at "low" (Tspec. = 1370 ° C) and "high" temperatures (Tspec. = 1450 ° C) within the permissible temperature range for a given cobalt content, in the presence of a liquid phase. The study was carried out in order to study the effect of the sintering temperature on the microstructure of the alloy, the grain size of WC and the physical and mechanical properties of products, one of which is crack resistance. The fracture toughness parameter of the samples was estimated using the Palmquist method. Keywords: tungsten carbide, fracture toughness of hard alloy, influence of synthesis conditions, alloy structure, crack propagation in the alloy structure, gradient alloys.
