CC BY
28
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ МИКРОСТРУКТУРЫ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ИЗДЕЛИЙ
WC-CO НА ПРОИЗВОДСТВЕ
1 2
Жадяев Александр Александрович , аспирант, инж.-технолог 1 кат. (e-mail: alexander-zhadyaev@yandex.ru) Новиков Владислав Александрович2, к.т.н., ассистент кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы» (e-mail: vladislav novyi@mail.ru)
2 3
Хакимов Алексей Мунирович , аспирант, начальник отдела (e-mail: alexeykhakimov@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 3 - филиал АО «ОДК» «НИИД», Москва
При анализе твердосплавных изделий на производстве АО «Волгабур-маш» было обнаружено отклонение микроструктуры сплава. В данной работе исследуется причина возникновения дефекта, а также исследуются и сравниваются влияние данного дефекта на физ.-мех. свойства изделий и производится сравнение с годной продукцией того же сплава.
Ключевые слова: буровые долота, твердый сплав, дефект микроструктуры твердого сплава, трещиностойкость.
Карбид вольфрама, легированный кобальтом (WC/Co) обладает уникальными характеристиками, такими как высокая прочности при повышенной температуре и высокая механическая и химическая стойкость, что делает твердосплавные инструменты подходящими для резки, бурения, добычи и механической обработки на станках [1].
Вольфрамокобальтовые сплавы различаются в зависимости от механических свойств, таких как: предел прочности на растяжение, ударная вязкость, твердость, при низком содержании связующего (Со), это приводит к снижению ударной вязкости и ударопрочности, что ведет к ранней поломке из-за сколов или разрушение. Прочность материала из карбида вольфрама обеспечивает устойчивость к механическим ударам, воздействиям, высоким нагрузкам. [2].
Проведенные исследования [4-7] показали, что для поддержания высоких эксплуатационных свойств твердосплавного вооружения долот необходимо применять высокотемпературные карбиды вольфрама и строго контролировать и поддерживать углеродный баланс в сплаве.
Установлено, что применение «высокотемпературного» карбида вольфрама позволяет получать сплавы с повышенной пластичностью при любом размере зерна [8].
Однако, в производстве могут возникать отклонения и дефекты, при возникновении которых следует отслеживать и проводить более тщательный контроль. Частым дефектом структуры сплава, возникающим на производстве твердосплавных изделий, является скопление кристаллов - участки неравномерного распределения а-фазы WC. [9]
В данной работе рассматриваются твердосплавные зубки буровых долот, производства АО «Волгабурмаш», имеющие отклонение по микроструктуре сплава в виде скопления кристаллов. Проведен анализ их физико-механических свойств и рассмотрена микроструктура. Проведено сравнение с годной партией зубков и определена причина возникновения данного отклонения.
На производство поступила партия исходного порошкообразного сырья: высокотемпературный карбид вольфрама WC7 (БЗЗЗ = 6.9мкм) и Со (БЗЗЗ = 1.45). По результатам входного контроля порошки соответствовали требованиям и были допущены в производство.
Из данного сырья на установке сушки распылением ЕН-250 фирмы —ВоЫегШ было изготовлено две производственные партии гранулированного порошкообразного полуфабриката ВК10С №1 и ВК10С №2, ^С=90%, Со=10%). Проведен анализ свойств смеси, представлен в таблице 1.
Таблица 1 - физ.-мех. свойства порошкообразной смеси ВК10С
ВК10С №1 ВК10С №2 Требования СТП
Плотность, г/см3 14,52 14,54 14,43... 14,63
Твердость НЯА 87,7 87,9 87,6...88,4
Коэрцитивная сила, Э 81 78 70.90
Предел прочно-
сти при попер.изгибе, кгс/мм2 287 290 Не менее 245
Средний размер зерна,мкм 2,7 2,7 2,5.3,5
Следующим этапом произведено холодное прессование нескольких типов зубков в соответствии с производственным планом. На АО "Волгабурмаш" для производства твердосплавных комплектующих буровых долот используются пресса БОЯБТ ТРА15, ТРА35 и ТРА50, позволяющие прессовать изделия сложной формы [10].
Спекание твердосплавных изделий проводили в вакуумно-компрессионных печах фирмы ALD Vacuum Technologies модель VKPgr 50х50х150.
Из полученных изделий было отобрано по 3 образца разного типа зубка для анализа.
Испытание на ударную вязкость (трещиностойкосгь) проводилось при внедрении индентора НП-2 на приборе Виккерса по методике Палмквиста ISO28079:2009. 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 вдавливании 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. [11]
Таблица 2 - физ.-мех. свойства твердосплавных зубков
Зубок Партия № образца Плотность, г/см3 Сред ний размер зерна, мкм Коэрци-тивность, э Твердость HRA Трещино-стойкость, МНхм"3/2 Длина трещины, мкм
1 ВК10С №1 1 14,52 2,7 81 87,6 22,4 40
2 14,53 2,8 83 87,7 21,9 40
3 14,52 2,6 80 87,7 21,1 48
2 ВК10С №2 4 14,52 2,8 80 87,7 21 46
5 14,54 2,8 82 87,7 22,3 33
6 14,51 2,7 81 87,7 22,2 35
3 ВК10С №2 7 14,53 2,8 78 87,6 19,8 58
8 14,55 2,7 78 87,7 22,8 38
9 14,52 2,8 79 87,7 22,7 33
2 ВК10С №2 10 14,52 2,8 78 87,7 14,8 104
11 14,52 2,8 77 87,6 17,6 86
12 14,52 2,8 80 87,6 20,2 54
5 ВК10С №1 13 14,54 2,7 81 87,7 21,1 48
14 14,53 2,7 82 87,6 21,4 46
15 14,55 2,7 81 87,6 18,9 64
Серийная смесь ВК10С 15,51 ±0,05 2,5 ±0,2 86 ±0,5 88,1 ±0,2 17,8 ±0,5 81 ±10
В ранее проделанных работах [3,12-13] для установления фактических значений К1с твердых сплавов, применяемых для вооружения долот, проводился анализ трещиностойкости или вязкости разрушения по методу
3/2
Палмквиста Wk (единица измерения МН>м" ). К1с - структурно чувствительная характеристика, измерение которой позволяет оценить чувствительность сопротивления материала распространению трещины. [13] Рассчитана средняя длина трещин и проведено сравнение со значением годной серийной продукции на данном предприятии, из данных статьи [11].
Физ.-мех. свойства спечённых изделий представлены в таблице 2.
Физ-мех. свойства изделий соответствуют требованиям СТП АО «Вол-габурмаш». Однако анализ микроструктуры зубков показал, что они имеют отклонения от требований СТП в виде дефекта структуры «скопление кристаллов», фотографии структуры на рисунке 1, что не допустимо для выпуска в производство, потому что это может привести к скалыванию зубка и т.д. Допускается: участки неравномерного распределения а-фазы - скоплений кристаллов WC и участки примесей другого сорта (сегрегации) с размером одного участка не более 80мкм и общим линейным размером всех участков не более 250мкм на всем сечении исследуемого шлифа. Результаты представлены в таблице 3.
Х800 х1600
Рисунок 1 - Скопление кристаллов образцов сплава ВК10С
Таблица 3 - результаты анализа микроструктуры сплава
Зубок Результаты анализа микроструктуры сплава
1 65мкм - 2 участка (сумма 119 мкм); 78 мкм - 4 участка (сумма 235 мкм)
2 71 мкм- 2 участка (сумма 131 мкм); 66мкм - 4 участка (сумма 232 мкм).
3 79мкм - 4 участка (сумма 237 мкм); 49мкм - 3 участка (сумма 241 мкм);
4 80мкм - 6 участков (сумма 402 мкм); 51 мкм - 2 участка (сумма 91 мкм);
5 60мкм - 4 участка (сумма 209мкм); 52мкм -2 участка (сумма 97 мкм)
Для изучения причины возникновения дефекта, порошок WC7 был отправлен на анализ морфологии поверхности частиц порошков с помощью растровой электронной микроскопии на сканирующем растровом электронном микроскопе. Средний размер частиц по объему данного порошка карбида вольфрама по Фишеру должен быть 6,0-8,0 мкм, что и подтвердилось результатом входного контроля. Однако при детальном исследовании порошка до помола выяснилось, что присутствовали как зерна меньшего, так и гораздо большего размера (рисунок 2). Это привело к агломерированию мелких частиц карбида на больших зернах и вызвало недопустимый к производству дефект структуры твердого сплава на этапе спекания.
Рисунок 2 - Микрофотографии исходной смеси до помола
Из данных снимков видно, что частицы порошка еще до помола в общей своей массе имеют разный размер частиц. Наблюдается присутствие и очень мелких частиц размером порядка 3-4мкм и крупных частиц размером около 25-30 мкм.
Фотографии гранулированного порошка, представлены на рисунке 3
Рисунок 3 - фотографии гранулированной смеси ВК10С
Сравнивая данные годных серийных изделий и изделий, рассматриваемых в данной работе можно сделать вывод, что такой дефект кристаллической структуры сплава как «скопление кристаллов» ухудшает трещино-стойкость сплава. Это непосредственно отразится на прочности вооружения бурового долота и на его качестве в целом. Данный дефект не допускается в производство и является неисправимым, что ведет к полной утилизации всей партии изделий.
Во избежание данного дефекта на предприятие, поставляющее карбид вольфрама WC7, было направлено письмо с рекомендациями усиления контроля производимой продукции и недопущения в будущем похожей ситуации.
Вывод
Используемая на предприятии АО «Волгабурмаш» методика определения среднего размера частиц по Фишеру не дает качественной оценки исходного сырья и его однородности по гранулометрическому составу.
Срок службы бурового долота из карбида вольфрама определяется множеством факторов, которые зависят от состава, механических, химических и термических свойств карбида (размера, формы состава), а также химических, физических и механических сред, в которых карбид эксплуатируется. Срок службы компонентов из карбида вольфрама увеличивается или уменьшается в зависимости от вышеуказанных факторов.
В работе[8] отмечено, что получение в структуре твердых сплавов после спекания крупных кристаллов и их скоплений, при исходных оптимальных режимах размола, связывают с дефектами получения исходных порошков.
Поэтому очень важно согласовывать гранулометрический состав карбида в технических условиях, так как просто анализа среднего размера зерна по Фишеру недостаточно.
Требуется приобретение оборудования, позволяющего производить более точный входной контроль, с возможностью детального измерения гранулометрического состава порошка.
Список литературы
1. P.K. Katiyar, P.K. Singh, R. Singh, A.I. Kumar, Modes of failure of cemented tungsten carbide tool bits (WC/Co): a study of wear parts, Int. J. Refract. Met. HardMater. 54 (2016) 27-38, https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2015.06.018.
2. R. Morrell, A.J. Gant, Edge chipping of hardmaterials, Int. J. Refract. Met. HardMater. 19(2001)293-301.
3. Жадяев А. А. Исследование трещиностойкости вольфрамокобальтовых сплавов ВК10С производства АО «Волгабурмаш» и VK10 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].
4. Ахметсагиров, С.М. Влияние химической неоднородности и химического состава на циклическую ударную прочность твердосплавных зубков буровых долот на основе карбида вольфрама [Текст] / С.М. Ахметсагиров, А.Г.Ищук, М.А.Сальников, Г.В.Бичуров// Вестник СамГТУ №2. 2008. С.119-125.
5. Ахметсагиров, С.М. О влиянии неоднородности распределения кобальтовой связки на циклическую прочность твердосплавных зубков буровых долот [Текст] / С.М. Ахметсагиров, А.П. Амосов, Г.В. Бичуров, А.Г. Ищук, М.А. Сальников// Физика прочности и пластичности материалов: cб.тезисов. 2006. С.104
6. Ахметсагиров, С.М. О влиянии углеродного баланса на циклическую прочность твердосплавных зубков буровых долот [Текст] / С.М. Ахметсагиров, А.П. Амосов, Г.В. Бичуров, А.Г. Ищук, М.А. Сальников // Физика прочности и пластичности материалов: c6.тезисов. 2006. С.200
7. Бичуров, Г. В. О связи механических свойств твердых сплавов с их магнитными характеристиками [Текст] / Г.В. Бичуров, М.А. Сальников, С.М. Ахметсагиров // Физика прочности и пластичности материалов: c6.тезисов. 2006. С.201
8. Лошак, М.Г. Прочность и долговечность твёрдых сплавов [Текст] : уч. Пособие / М.Г.Лошак Киев: Наукова думка. 1984. 328 с.
9. 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
10. Захаров, Д.А. Совершенствование состава, структуры, технологии и применения твердых сплавов в производстве буровых шарошечных долот: автореф.дис.... канд.техн.наук / Захаров Дмитрий Александрович - Самара, 2014. - 23с.
11. Жадяев А.А. Захаров Д.А., Амосов А.П. Исследование влияния условий спекания твердого сплава WC-Со на его структуру, трещиностойкость и прочие физико-механические характеристики // современные материалы, техника и технологии. - 2020. - №4(35). С.32-41.
12. Захаров Д.А., Жадяев А.А. Пути повышения качества твердосплавного вооружения буровых долот/ Металлургия машиностроения. - 2020. - №5. С. 32-36.
13. 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
14. 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.]
Zhadyaev Alexander Alexandrovich1,2, graduate student, process engineer 1 rank (e-mail: alexander-zhadyaev@yandex.ru)
Novikov Vladislav Alexandrovich2 Cand.Tech.Sci., the assistant of department «Metallurgy, powder metallurgy, nanomaterials» (e-mail: vladislav_novyi@mail.ru)
Khakimov Alexey Munirovich2,3, graduate student, the head of department (e-mail: alexeykhakimov@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
3 - branch of JSC "UEC" "NIID", Moscow
DETERMINING THE CAUSE OF MICROSTRUCTURE DEFECTS OF WC-CO CARBON ALLOY PRODUCTS IN PRODUCTION
Abstract. When analyzing hard alloy products at the production of JSC Volgabur-mash, a deviation of the microstructure of the alloy was found. This work investigates the cause of the defect, as well as investigates and compares the effect of this defect on physical-fur. properties of products and a comparison is made with suitable products of the same alloy. Keywords: drill bits, hard alloy, hard alloy microstructure defect, crack resistance.
КАРБИДНЫЕ СВС КАТАЛИЗАТОРЫ КОНВЕРСИИ ОКИСИ УГЛЕРОДА Камышов Александр Дмитриевич, студент (e-mail: 22554.ur@mail.ru) Самборук Анатолий Романович, профессор д.т.н. (e-mail: samboruk55@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
На основании проведенных исследований был синтезирован пористый образец обладающий каталитической активностью при конверсии монооксида углерода методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
Ключевые слова: катализатор, СВС, конверсия, структура, карбид, шихта, железо.
В настоящее время поиски новых катализаторов занимают определенное место в науке. Важнейшим свойством катализаторов является специфичность действия: каждая химическая реакция или группа однородных реакций может ускоряться только вполне определенными катализаторами. Катализаторы, полученные методом самораспрос-траняющегося высокотемпературного синтеза (СВС) являются полноценной заменой катализаторов на основе благородных металлов. Главным преимуществом катализаторов СВС является дешевизна исходных компонентов смеси и простота оборудования для получения готового продукта [1].
