Разработка буровых твердых сплавов с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости на основе высокотемпературных карбидов вольфрама

Размещено на http://www.allbest.ru/

6

Разработка буровых твёрдых сплавов с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости на основе высокотемпературных карбидов вольфрама

05.02.01 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

САЛЬНИКОВ Михаил Александрович

Самара 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор АМОСОВ Александр Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ДРОЗДОВ Игорь Алексеевич

доктор технических наук, профессор ПАНОВ Владимир Сергеевич

Ведущая организация: ОАО «Уралбурмаш»

Защита состоится «_16_»_декабря_2009г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.217.02 в Самарском государственном техническом университете по адресу: г.Самара, ул. Молодогвардейская, 141, корпус №6, ауд.28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (г.Самара, ул.Первомайская, 18).

Автореферат разослан «____»___________ 2009г.

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

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.02

д.т.н., профессор А.Ф. Денисенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Буровые шарошечные долота с твердосплавными зубками наиболее широко применяются при бурении скважин для добычи нефти и газа, а также в горнорудной и геологоразведочной отраслях. Разрушение породы при их работе происходит в основном за счет ударно-скалывающего действия зубков. Непрерывное возрастание силовых и скоростных режимов современного бурения приводит к более жестким условиях экстремального циклического ударного нагружения на твердосплавные зубки, в связи с чем стойкость твердосплавных зубков стала лимитирующим фактором повышения проходки долот и механической скорости бурения. Невысокая пластичность твёрдого сплава не позволяет получить стабильную стойкость зубков к сколам и сломам, а также увеличить скорость бурения за счёт увеличения высоты зубков. Известное решение данной проблемы за счёт увеличения доли пластичной составляющей сплава - кобальтовой связки, применимо только при бурении мягких пород, так как при этом происходит значительное снижение износостойкости сплава.

В этих условиях актуальной стала задача повышения характеристик пластичности и трещиностойкости буровых твердых сплавов без снижения износостойкости, а также поиск дополнительного способа контроля их прочностных и пластических свойств при производстве, гарантирующего высокую эксплуатационную стойкость твердосплавных зубков. Для решения этой задачи в настоящей диссертационной работе были выполнены исследования по повышению качества бурового твердого сплава за счет использования высокотемпературного карбида вольфрама, по которому имелись сведения о том, что он обладает повышенными характеристиками пластичности, а также по целесообразности использования контроля магнитного насыщения, который применялся ранее только в исследовательских работах, в качестве дополнительного способа контроля в серийном производстве бурового твердосплавного инструмента..

Цель работы и основные задачи исследований

Целью диссертационной работы является повышение пластичности и трещиностойкости буровых твердых сплавов, без снижения износостойкости, для обеспечения высокой эксплуатационной стойкости твердосплавных зубков буровых шарошечных долот.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Установить факторы, приводящие к снижению трещиностойкости и пластичности твердого сплава.

2. Выполнить коррекцию технологического процесса изготовления твердосплавных зубков с целью устранения факторов, способствующих снижению трещиностойкости и пластичности.

3. Разработать и внедрить новые методики контроля качества твердосплавных зубков, гарантирующие их высокую эксплуатационную стойкость.

4. Выполнить исследования прочностных свойств карбида вольфрама и возможность их повышения.

5. На основе проведенных исследований разработать новые марки твердого сплава для изготовления твердосплавных зубков с повышенной пластичностью и трещиностойкостью.

6. Выполнить анализ эффективности внедрения результатов диссертационной работы применительно как к самому процессу изготовления твердосплавных зубков, так и к качеству буровых долот в целом.

Научная новизна результатов исследования

1. Исследовано влияние пластических свойств кобальтовой связки и трещиностойкости твердого сплава на эксплуатационную стойкость твердосплавных зубков.

2. Показана необходимость контроля магнитного насыщения твердосплавных зубков как основного критерия их эксплуатационной стойкости за счет обеспечения высокой пластичности и трещиностойкости твердого сплава.

3. Проведено сравнительное исследование методом растровой электронной микроскопии морфологии и структуры частиц низкотемпературного и высокотемпературного карбида вольфрама и найдены существенные различия.

4. Проведено сравнительное исследование кинетики размола высокотемпературного и низкотемпературного карбидов вольфрама, подтвержден вывод о более высокой пластичности последнего.

5. Обоснована необходимость применения высокотемпературного карбида вольфрама для изготовления буровых марок твердого сплава с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости.

Практическая значимость результатов исследований

1. Показано существенное различие свойств твердого сплава в пределах двухфазной области в зависимости от содержания углерода. Определен диапазон содержания углерода 6,08 - 6,13% (в пересчете на карбид), при котором обеспечивается достаточная пластичность и трещиностойкость твердого сплава и циклическая стойкость твердосплавных зубков.

2. Разработан технологический режим коррекции содержания углерода в процессе операции спекания через смесь газов: водорода и метана.

3. Разработана и внедрена методика анализа магнитного насыщения твердосплавных зубков, установлен допустимый диапазон магнитного насыщения, обеспечивающий высокую пластичность и трещиностойкость твердого сплава и стойкость зубков.

4. Разработаны технические условия на высокотемпературные марки карбида вольфрама для изготовления твердосплавных зубков с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости.

5. Выполнена модернизация технологического процесса изготовления твердосплавных зубков с внедрением вышеуказанных техпроцессов, методик и новых материалов.

6. Переработан стандарт предприятия на твердосплавные зубки с внедрением новых марок буровых твердых сплавов на основе высокотемпературного карбида вольфрама.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы были представлены на Международной научно-технической интернет- конференции «Высокие технологии в машиностроении» (19.11.2006 - 21.11.2005, 2006, г.Самара) и Международной научно-технической конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2006).

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 7 работах, две из которых в изданиях перечня ВАК.

Объём и структура диссертации

Диссертация изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 20 таблиц и состоит из введения, семи разделов, заключения, списка использованных источников (107 наименований) и четырёх приложений.

карбид вольфрам трещиностойкость сплав

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика бурового долота и описание механизма его износа в процессе бурения. Приведено обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, обоснована практическая значимость результатов работы.

В первом разделе выполнен литературный обзор по твёрдым сплавам.

Дана краткая историческая справка по созданию технологии производства твёрдых сплавов.

Проведён анализ диаграммы состояния системы W - C - Co. Показан фазовый состав сплавов при различных температурах. Показаны пределы растворимости и составы двойных и тройных эвтектик. Проведён анализ квазибинарного сечения тройной диаграммы по линии Co - WC при соотношении W к С как 1 к 1 (атом.).

На основании данной диаграммы сделан анализ фазовых превращений при спекании сплавов WC - Co.

Подробно освещены вопросы теории прочности твёрдых сплавов. Приведены данные по зависимости физико-механических характеристик сплавов от химического состава, размера частиц карбидной фазы.

Приведены данные по методике расчёта критических напряжений для распространения трещин и хрупкого разрушения сплава. Показанные расчёты свидетельствуют о значительном влиянии пластичности на характер разрушения сплава и на величину предельных напряжений.

Выполнен обзор видов разрушений твердосплавных зубков в процессе работы долот.

Показан характер нагружения зубков в забое, величина и способ приложения нагрузки. Показано влияние внутренних пустот сплава на стойкость зубков, специфический вид износа зубков - термическое растрескивание.

Обосновано предположение о важности параметра К1с сплава - критического параметра интенсивности напряжений, для обеспечения максимальной стойкости зубков к сколам и сломам во время работы. Обосновано, что недостаток пластичности и трещиностойкости материала зубков приводит к аварийному выходу из строя долот и улучшение этих показателей является основным резервом увеличения как эксплуатационной стойкости долот при бурении так и механической скорости бурения.

Во втором разделе даны подробные характеристики материалов, методик, приборов и оборудования, используемого в производстве твердосплавных изделий.

Приведены характеристики приборов и оборудования, внедрённых в производство по результатам данной работы и наоборот, исключённых из производства по результатам проведённых исследований.

При исследовании параметров исходных порошков вольфрама и кобальта использовались как стандартные методики анализов, такие как анализаторы содержания углерода и кислорода фирмы «Leco», анализатор среднего размера частиц по Фишеру, анализатор насыпной плотности (волюмометр Скотта), так и дополнительные методы - анализ гранулометрического состава порошков на рентгеновском седиментографе «Седиграф».

При анализе качества спечённых зубков также наряду со стандартными методиками использовались и новые разработки, выполненные при непосредственном участии автора данной работы, а именно - программный компьютерный анализ остаточной пористости и среднего размера частиц созданный совместно с фирмой «СИАМС» г.Екатеринбург и определение коэрцитивной силы и магнитного насыщения на специально изготовленном по заданию ОАО «Волгабурмаш» приборе фирмы «Walker LDG» (США).

Дополнительно исследовалась стойкость твердосплавных зубков при циклическом ударном нагружении, как наиболее приближённая к реальным нагрузкам при бурении, методика определения эксплуатационной стойкости зубков.

Приведено подробное описание оборудования, применяемого в ОАО «Волгабурмаш» в процессе производства твердосплавных зубков, показаны его преимущества и недостатки, выявленные по результатам работы.

В третьем разделе работы выполнено исследование влияния содержания углерода на эксплуатационные свойства твердосплавных зубков и дано объяснение полученных результатов с точки зрения пластичности и трещиностойкости твёрдого сплава. Для этого подробно проанализирован вертикальный разрез тройной системы W - C - Co по линии WC - Co. Показаны различные фазы - твёрдый раствор на основе кобальта, свободный углерод и ?-фаза, показаны области существования различных фаз в зависимости от содержания углерода.

Приведены данные исследований зависимости свойств твёрдого сплава WC - Co,- прочности при изгибе, ударной вязкости, твёрдости и т.п. от содержания углерода.

Показано, что несмотря на рекомендации многих источников о максимуме прочностных свойств твёрдого сплава в границах двухфазной области, и на довольно узкий диапазон существования этой двухфазной области (от 0,07 до 0,22% масс. по содержанию углерода в зависимости от содержания кобальта в сплаве), разброс свойств, и особенно стойкости к ударным нагрузкам в пределах этой области достаточно велик, и для буровых твёрдых сплавов этот разброс свойств имеет критическое значение.

Это подтверждено результатами испытаний циклической ударной стойкости твердосплавных зубков, имеющих однородную двухфазную структуру и высокое значение предела прочности при поперечном изгибе, но разной содержание углерода. Причём, незначительные на первый взгляд различия в содержании углерода на уровне сотых долей процента, приводили к катастрофической разнице в циклической стойкости зубков.

Таблица 1

Циклическая стойкость зубков из сплава ВК10 и содержание углерода в них

Тип зубка	Количество ударов до разрушения	Содержание углерода, %(масс.)
R8812 R962 R3712 R4418 R5677 R8652 R9314 R4875 R4986 R9963 R6788	256 2078 ?4000 1560 ?4000 345 157 ?4000 ?4000 1276 ?4000	5,37 5,42 5,49 5,40 5,51 5,39 5,36 5,52 5,50 5,39 5,48

Это объясняется изменением пластичности кобальтовой связки из-за разного количества растворённого в ней вольфрама. Известно, что содержание вольфрама в кобальтовой связке находится в обратной зависимости от содержания углерода в сплаве и увеличение содержания вольфрама в кобальтовой связке приводит к быстрому снижению трещиностойкости сплава.

В диссертации приведены соответствующие количественные зависимости, носящие линейный характер.

Снижение критического параметра интенсивности напряжений в сплаве при увеличении содержания вольфрама в кобальте, происходит из-за уменьшения пластичности кобальта. Это снижение пластичности можно объяснить затруднением к скольжению дислокаций, вызываемым искажениями кристаллической решётки кобальта атомами вольфрама. Таким образом, необходимо сводить до минимума содержание вольфрама в кобальтовой связке, обеспечивая тем самым максимально возможные характеристики пластичности и трещиностойкости твёрдого сплава. Этим объясняется сильная зависимость свойств твёрдого сплава от содержания углерода в нём, в том числе и в весьма малом диапазоне двухфазной области.

На основании проведённых исследований циклической стойкости определён оптимальный диапазон содержания углерода в сплаве в пределах двухфазной области 6,08 - 6,13%, попадание в который обеспечивает высокую пластичность и трещиностойкость и, как следствие, высокую эксплуатационную стойкость твердосплавных зубков.

В четвёртом разделе выполнен анализ зависимости свойств твёрдого сплава от величин коэрцитивной силы и магнитного насыщения. Дано описание способов и приборов контроля магнитных характеристик твёрдых сплавов.

Коэрцитивная сила - это структурно чувствительный параметр, который характеризует толщину кобальтовых прослоек и, тем самым, говорит о величине зерна карбидной фазы. Чем выше коэрцитивная сила, тем мельче размер зёрен WC. А размер зерна определяет износостойкость сплава при одинаковом содержании кобальта.

Таким образом, контролируя коэрцитивную силу твердосплавных зубков, в рамках заранее определённого для каждой марки сплава диапазона, мы можем контролировать зернистость и износостойкость сплава.

Величина магнитного насыщения твёрдого сплава зависит от степени легированности кобальтовой связки вольфрамом. Причём эта зависимость носит такой же линейный характер, как и зависимость количества растворённого вольфрама от содержания углерода, то есть, чем больше в кобальте растворено вольфрама, тем меньше значение магнитного насыщения. Соответственно, чем больше магнитное насыщение, тем выше будет трещиностойкость сплава.

Проведённые исследования циклической стойкости твердосплавных зубков, с различным значением магнитного насыщения позволили построить график этой зависимости и определить диапазон значений магнитного насыщения, гарантирующего высокую пластичность и трещиностойкость, а следовательно, и эксплуатационную стойкость твердосплавных зубков.

Методика определения магнитного насыщения была отработана на магнитометре фирмы «Wolker LDG», изготовленном по заданию ОАО «Волгабурмаш». Для удобства и быстродействия при проведении анализов и оценке его результатов, программное обеспечение прибора выдаёт значение магнитного насыщения в специальных единицах, приведённых к одному грамму кобальта (Гс/г Со). Это позволяет установить единый допустимый диапазон магнитного насыщения, независимо от марки сплава.



Рисунок 1 Зависимость циклической ударной стойкости зубков из сплава WC - Co 10% Co от магнитного насыщения

Величина насыщения верхним пределом имеет значение магнитного насыщения чистого кобальта, но практически всегда меньше его. В приведённых единицах оно составит 160Гс/гСо. За нижний предел магнитного насыщения принято значение 145 Гс/гCo. По данным рис.1 такое значение гарантирует стойкость не менее 4000 циклов при испытаниях на ударную нагрузку. Таким образом в технические условия на изготовление твердосплавных зубков дополнительно включён параметр допустимого магнитного насыщения в диапазоне 145 - 160 Гс/гCo. Это позволило гарантировать высокую эксплуатационную стойкость твердосплавных зубков за счёт высокой пластичности и трещиностойкости сплава и ликвидировать проблему их скола и слома при бурении.

Необходимо отметить, что контроль магнитного насыщения выполняет примерно такую же роль, как контроль циклической стойкости или контроль содержания углерода в зубке после спекания, но имеет огромное преимущество в быстродействии, объёме исследуемого материала и неразрушающем характере анализа. Его проведение занимает по времени не более одной минуты. Именно поэтому он включён в качестве операционного контроля в технологический процесс изготовления твердосплавных зубков.

Можно отметить, что внедрение данной методики позволило не только гарантировать высокое качество зубков, но и значительно уменьшить объём контроля другими методами, в основном разрушающими.

В пятом разделе диссертации исследовано влияние температуры карбидизации на пластичность карбида вольфрама. Рассмотрены реакции, происходящие в процессе карбидизации вольфрама. Несмотря на то, что исходные компоненты находятся в твёрдой фазе, реакция соединения углерода с вольфрамом происходит через газовую фазу. С ростом температуры процесса увеличивается скорость диффузии углерода в вольфрам и следовательно ускоряется процесс карбидизации. Стандартная температура карбидизации зависит от среднего размера частиц и обычно находится в диапазоне 1300 - 1600°С. В ОАО «Волгабурмаш» карбидизация вольфрама проводилась при температуре 1500 - 1550°С.

В нескольких источниках указывалось, что повышение температуры карбидизации вольфрама приводит к некоторому повышению пластических свойств самого карбида вольфрама и сплавов на его основе. Механизм такого повышения пластичности подробно не исследовался.

Учитывая, что для буровых твёрдых сплавов пластичность и трещиностойкость имеют определяющее значение для стойкости зубков при бурении, мы провели сравнительные исследования высокотемпературного и низкотемпературного карбида вольфрама и твердосплавных зубков, изготовленных на их основе. Для большей достоверности результатов были использованы порошки высокотемпературного карбида вольфрама от различных производителей, полученные при температуре карбидизации Тк=2000°С.

В данной работе мы проверяли прочность карбидных зёрен в зависимости от времени размола. Прочность карбидных зёрен определялась по изменению среднего размера частиц по Фишеру в исходном состоянии и после помола в течение 3-х часов с периодичностью в 0,5 часа. Образцы карбида, массой 100 граммов, помещались в стеклянные банки с вольфрамовыми стержнями, которые одновременно вращались с постоянной скоростью на лабораторных валках. Через каждые 0,5 часа производился замер среднего размера частиц.

Результаты замеров показаны в табл. 2.

Таблица 2

Влияние температуры карбидизации вольфрама на кинетику измельчения карбидных зёрен

Марка карбида	Исходный размер частиц, мкм	Размер частиц после помола, мкм
		0,5 ч	1,0 ч	1,5 ч	2,0 ч	2,5 ч	3,0 ч
ОАО «ВБМ»-низкотемпературный, партия №2034	12,0	7,8	5,2	4,4	3,5	3,2	3,2
Китай - высокотемпературный, партия №73	8,0	5,6	5,2	4,4	4,4	4,4	4,4
Китай - высокотемпературный, партия №112	7,2	6,2	5,2	4,8	4,2	3,9	3,9
ОАО «КЗТС» - высокотемпературный, партия №08	7,4	5,2	4,8	4,4	3,9	3,5	3,5

Из приведённых результатов видно, что высокотемпературный карбид вольфрама измельчается гораздо медленнее. Для наглядности результаты изменения среднего размера частиц выведены в виде графиков на рис.2.

Средний размер частиц высокотемпературного карбида вольфрама за время размола уменьшился в 1,8 - 2,1 раза, а низкотемпературный карбид при таком же режиме размола уменьшил средний размер частиц в 3,75 раза.

Чтобы понять причины такой существенной разницы в прочности при размоле, нами были сделаны фотографии исходных порошков карбидов на растровом электронном микроскопе Jeol JSM - 6390A, которые приведены на рис. 3-5, для разных температур карбидизации Тк.



Рисунок 2 Зависимость размера зерна от длительности помола партий карбида вольфрама, изготовленного по «низкотемпературной» и «высокотемпературной» технологии

Рисунок 3 Карбид вольфрама КЕ партия №2034 производства ОАО «Волгабурмаш», Тк=1500°С



Рисунок 4 Карбид вольфрама партия №112, производитель Китай, Тк=2000°С

Рисунок 5 Карбид вольфрама партия №08, производство ОАО «КЗТС», Тк=2000°С

Из приведённых фотографий видно, что низкотемпературный карбид вольфрама, несмотря на больший исходный размер частиц, в каждой частице имеет неоднородную поликристаллическую структуру, состоящую из большого числа отдельных кристаллитов. В высокотемпературном карбиде вольфрама неоднородность строения частиц выражена гораздо меньше и видно, что зёрна состоят из малого числа кристаллитов, то есть имеют более плотную структуру, близкую к монокристаллической.

Наличие такой поликристаллической структуры можно объяснить тем, что при карбидизации возникает напряжённое состояние между разными кристаллическими решётками - гексагональной (Г8) у карбида вольфрама и кубической (ГЦК) - у вольфрама. Решётки имеют разный удельный объём, в результате чего возникают напряжения растяжения, которые и приводят к растрескиванию кристалла.

Различие в строении кристаллов высокотемпературного и низкотемпературного карбидов можно объяснить следующими причинами:

· Во-первых, более высокая температура карбидизации резко ускоряет диффузию углерода вглубь карбидного зерна и практически мгновенно по всему объёму или по нескольким участкам происходит перестроение кристаллической решётки. Подобную картину мы имеем при карбидизации мелкодисперсного вольфрама, у которого не происходит разрушение кристалла карбида даже при значительно более низких температурах карбидизации и в результате получаются монокристаллические зёрна карбида вольфрама.

· Во-вторых, сам вольфрам при более высоких температурах карбидизации становится пластичнее и деформируется без растрескивания.

Представляет интерес также версия о том, что при высоких температурах карбидизации энергия активации новых центров кристаллизации становится выше энергии диффузии углерода вглубь зерна вольфрама, поэтому происходит карбидизация всего зерна из одного или нескольких начальных центров.

Проведённые исследования могут с большой долей вероятности объяснить феномен более высокой пластичности сплавов на основе высокотемпературного карбида вольфрама, тем, что у низкотемпературного карбида даже после завершения операции мокрого размола, могут оставаться в структуре зёрен карбида участки разноориентированных кристаллов или даже микротрещин, оставшихся от поликристаллического зерна, которые ускоряют разрушение зёрен карбида при нагружении.

В шестом разделе выполнен анализ действующего в ОАО «Волгабурмаш» технологического процесса изготовления твердосплавных зубков. На основе проведённых исследований внесены изменения в технологический процесс, а именно:

· Исключена из техпроцесса операция карбидизации вольфрама, так как существующее оборудование не позволяет получить требуемую температуру карбидизации. Производство зубков переведено на использование покупного высокотемпературного карбида вольфрама, для чего разработаны и согласованы с несколькими поставщиками технические условия на высокотемпературный карбид вольфрама.

· Исключены из техпроцесса печи предварительного спекания и печи вакуумного спекания, так как они не позволяют обеспечивать необходимое строго определённое содержание углерода в зубках после спекания.

· Для процесса спекания зубков использованы вакуумно-компрессионные печи нового поколения, позволяющие совместить в одном цикле процессы удаления пластификатора, спекания в вакууме и газостатической обработки высоким давлением при температуре спекания. Кроме того, на этих печах отработан режим коррекции содержания углерода в сплаве в процессе спекания через создание необходимого углеродного потенциала в атмосфере печи с помощью смеси газов - водорода и метана.

· В технологический процесс включён контроль магнитного насыщения твердосплавных зубков, как основного критерия их высокой эксплуатационной прочности.

На основе проведённых изменений технологического процесса переработан стандарт предприятия на технические требования к твердосплавным изделиям, с включением в него новых марок сплава на основе высокотемпературных карбидов вольфрама ВК6С, ВК10С, ВК15С.

Разработанные марки сплава отличаются от ранее применяемых марок:

· Использованием в качестве исходного сырья высокотемпературного карбида вольфрама;

· Более жёсткими характеристиками остаточной пористости;

· Наличием в технических требованиях параметра магнитного насыщения с достаточно узким допустимым диапазоном значений;

Всё это позволило не только ликвидировать проблему скола и слома зубков в процессе бурения, но и увеличить возможности повышения механической скорости бурения за счёт применения зубков с большей высотой вылета над телом шарошек.

В седьмом разделе выполнен анализ эффективности от внедрения в производство результатов исследований. Показано, что изменение технологии изготовления твердосплавных зубков на основе проведённых исследований, позволило обеспечить стабильно высокий уровень эксплуатационной стойкости твердосплавных зубков. Кроме того, проведённые мероприятия позволили существенно снизить издержки самого твердосплавного производства и сократить потери материалов в процессе производства. Только в собственном производстве твердосплавных зубков годовой экономический эффект составил около 21,5 млн. руб.Повышение пластичности и трещиностойкости твердосплавных зубков позволило не только устранить случаи аварийных выходов из строя долот из-за слома зубков, но и значительно увеличить проходку долот, особенно при бурении крепких пород. Так, по результатам сравнительных испытаний, проведённых в 2008г. в Полтавском ГОК, только за счёт новых твердосплавных зубков получено увеличение проходки долот R745 почти на 60%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Показана определяющая роль характеристик пластичности и трещиностойкости твердого сплава в обеспечении высокой эксплуатационной стойкости твердосплавных зубков буровых шарошечных долот.

2. Исследовано влияние такого фактора как содержание углерода в твердом сплаве на его пластичность и трещиностойкость, и на циклическую стойкость зубков, найдено оптимальное содержание углерода в двухфазной области твердого сплава 6,08…6,13%(масс.) в пересчёте на карбид вольфрама.

3. Разработана методика контроля магнитного насыщения твердого сплава, и установлен допустимый диапазон магнитного насыщения 145…160 Гс/г Со, гарантирующий высокую пластичность и трещиностойкость твердого сплава, а, следовательно, и высокую эксплуатационную стойкость твердосплавных зубков при бурении.

4. Проведено сравнение прочностных и пластических свойств и строения зерен карбидов вольфрама, полученных при низких и высоких температурах карбидизации; показано преимущество высокотемпературного карбида вольфрама для изготовления буровых твердых сплавов с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости.

5. На основе проведенных исследований внесены следующие изменения в технологический процесс изготовления твердосплавных зубков:

- низкотемпературный карбид вольфрама заменен на высокотемпературный, в связи с чем разработаны и согласованы с поставщиками технические условия на высокотемпературный карбид вольфрама;

- операция спекания твердого сплава переведена с раздельного цикла в двух печах на полный цикл в одной вакуумно-компрессионной печи с корректировкой содержания углерода в твердом сплаве до необходимого уровня;

- характеристика магнитного насыщения твердого сплава включена в перечень параметров, контролируемых при производстве твердосплавных зубков.

6. Внесенные изменения в технологию изготовления твердосплавных зубков позволили обеспечить стабильно высокий уровень эксплуатационной стойкости зубков и существенно снизить издержки твердосплавного производства.

7. Разработаны новые марки твердого сплава ВК6С, ВК10С, ВК15С повышенной пластичности и трещиностойкости на основе высокотемпературного карбида вольфрама для изготовления твердосплавных зубков шарошечных долот, износостойкость которых не уступает, а в случае с ВК6С даже превосходит, характеристики применявшихся ранее сплавов.

8. В результате повышения пластичности и трещиностойкости твердосплавных зубков не только устранены случаи аварийных выходов из строя долот из-за слома зубков, но и значительно, до 60%, увеличена проходка долот, а также стали возможны более высокие скорости бурения за счет увеличения вылета зубков над телом шарошки (до 20-25 мм, вместо 8-12 по ТУ 48-4205-44-2002).

Основное содержание диссертации представлено в работах

1. Ахметсагиров С.М., Сальников М.А., Ищук А.Г., Бичуров Г.В. Влияние химической неоднородности на циклическую ударную прочность твердосплавных зубков буровых долот на основе карбида вольфрама. // Вестник Самарского гос. техн. ун-та. 2008, №2, с. 119-126.

2. Амосов А.П., Ахметсагиров С.М., Бичуров Г.В., Сальников М.А. Исследование параметров порошкового сырья для изготовления твердосплавных зубков буровых долот. // Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2007, №1, с. 4 -10.

3. Ахметсагиров С.М. Бичуров Г.В., Ищук А.Г., Сальников М.А. Исследование влияния физико-механических свойств твердосплавных зубков на циклическую ударную стойкость. //Материалы научн.-техн. междун. интернет-конфер. «Высокие технологии в машиностроении». Самара, СамГТУ, 2006. с. 298-303.

4. Ахметсагиров С.М., Амосов А.П., Бичуров Г.В., Ищук А.Г., Сальников М.А. О влиянии неоднородности распределения кобальтовой связки на циклическую прочность твердосплавных зубков буровых долот.// Сб. тезисов XVI междун. конфер. «Физика прочности и пластичности материалов». Самара, СамГТУ, 2006, 104 с.

5. Ахметсагиров С.М., Амосов А.П., Бичуров Г.В., Ищук А.Г., Сальников М.А. О влиянии углеродного баланса на циклическую прочность твердосплавных зубков буровых долот. //Сб. тезисов XVI межд. конфер. «Физика прочности и пластичности материалов». Самара, СамГТУ, 2006, 200 с.

6. Бичуров Г.В., Сальников М.А., Ахметсагиров С.М. О связи механических свойств твёрдых сплавов с их магнитными характеристиками. //Сб. тезисов междун. конф. «Физика прочности и пластичности материалов». Самара, СамГТУ, 2006, 201 с.

7. Ищук А.Г., Ерисов А.Е., Сальников М.А., Гайдуков В.В. Разработка метода компьютерного анализа структуры твёрдых сплавов для буровых шарошечных долот // Материалы научн.-техн. междун. интернет-конфер. «Высокие технологии в машиностроении». Самара, СамГТУ, 2005, с. 181 - 184.

Размещено на Allbest.ru

...