CC BY
33
-------------------------------------- © П.В. Бурков, В.П. Бурков,
2010
УДК 622.23.054.54
П.В. Бурков, В.П. Бурков
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВОВНЫХВСТАВОК НА КАЧЕСТВО ГОРНОГО ИНСТРУМЕНТА
Одним из основных требований к разрушающему инструменту является его высокая стойкость. Установлена зависимость стойкости горного инструмента от технологических параметров и режимов изготовления его твердосплавных вставок.
Ключевые слова: твердые сплавы, горный инструмент, карбидизации порошков вольфрама.
Горный инструмент предназначен для оснащения исполнительных органов проходческих и очистных комбайнов. Его стойкость - актуальная проблема. От стойкости горного инструмента в значительной степени зависит производительность горных машин, качество и себестоимость продукции. Актуальность проблемы стойкости горного инструмента возрастает вместе со стремлением увеличить скорость резания и подачу комбайнов. Повышенные скорости резания вызывают непропорциональное увеличение износа из-за того, что при скоростях более 1,5 м/с превышаются критические температуры, определяющие падение прочности вставки из твердого сплава на основе тугоплавких и высокотвердых химических соединений и связующего материала, и поэтому происходит стремительное снижение износостойкости.
В результате исследований отработанных поворотных резцов разных типоразмеров было установлено, что большему износу подвержены головка резца и вставка из твердого сплава на основе тугоплавких и высокотвердых химических соединений и связующего материала. [1, 2]
Твердые сплавы производятся методами порошковой металлургии - спеканием смесей высокодисперсных частиц химических соединений с порошком металлической связки. Технология порошковой металлургии практически доведена до совершенства, но все твердые сплавы имеют один и тот же недостаток - наличие остаточной микропористости (концентраторов внутренних напряжений и центров зарождения хрупких трещин, ограничивающих возможности повышения эксплуатационных характеристик инструмента,
зависящие как от режима спекания так и от характеристик спекаемых материалов.
В свою очередь свойства спеченных твердых сплавов определяются не только их составом и микроструктурой, но и особенностями внутренней структуры компонентов твердых сплавов (субмикроструктурой). При этом свойства спеченных сплавов в значительной степени определяются характеристиками исходного сырья и промежуточных продуктов твердосплавного производства, которые изменяются в зависимости от технологических параметров. Известно большое количество исследований, посвященных выяснению влияния характеристик исходных порошков и последующих технологических операций на дисперсность полуфабрикатов и структуру и свойства твердых сплавов.
Наиболее детальные исследования изменений тонкой структуры порошков WO3, W, WC, WC - фазы в сплаве на всех стадиях технологического процесса приведены в работах [3]. На рис. 1 представлены результаты изучения интегральной ширины рентгеновских линий для образцов порошков, отобранных на всех стациях изготовления твердого сплава, а также после использования (извлечены твердосплавные вставки из отработанного горного инструмента).
Первую серию образцов порошков (низкотемпературную) готовили по обычным режимам, принятым в производстве вольфра-мо-кобальтовых сплавов. Вторая серия отличалась значительно более высокими температурами получения вольфрама и карбида вольфрама. Из графика видно, что исходные образцы порошков и промежуточные материалы, участвующие в производстве сплавов по низко- и высокотемпературной технологии, отличаются шириной рентгеновских линий. Порошки W03, W (после восстановления и после смешения с углеродом), WC (спек после карбидизации и порошок после сухого разлома) высокотемпературной серии имеют значительно более узкие линии, чем соответствующие порошки низкотемпературной серии. Это подтверждает выводы [4, 5] о том, что применение высоких температур восстановления и карбидизации способствует получению порошков вольфрама и карбида вольфрама с более совершенной кристаллической структурой. При карбидизации порошков вольфрама низкотемпературной серии размеры блоков мозаики сохраняются практически без изменения и структура карбида вольфрама характеризуется наличием значительных микроискажений.
□ Серия 1 ШСерия 2
3,5 .град.
1 3 5 7 9 11 13
Рис. 1. Изменение ширины рентгеновских линий порошков WO, W, WC и WC-фазы сплава на разных стадиях технологического процесса: а - низкотемпературная серия, б - высокотемпературная серия; 1 - WO3 исходный, 2 - WO3 прокаленный, 3 - W после восстановления, 4 - W после смешения углеродом, 5 - WC спек., 6 - WC после дробления, 7 - WC после размола с Со до просева, 8 - то же после просева, 9 - WC-фаза в спрессованнных образцах, 10 - WC-фаза в образцах после предварительного спекания, 11 - -то же после предварительного спекания после удаления Со, 12- WC-фаза в сплаве после окончательного спекания до удаления Со, 13 - то же после удаления Со, 14 - после эксплуатации
В высокотемпературной серии при карбидизации происходит интенсивный рост блоков, и микроискажения в кристаллической решетке WC практически отсутствуют. Высокотемпературные порошки W и WC более крупнозернистые.Размол существенно изменяет дисперсность и структурные характеристики порошков карбида вольфрама. Ширина рентгеновских линий резко возрастает, особенно у высокотемпературных порошков.
Следует отметить, что измельчение блоков мозаики и деформация кристаллической решетки протекают более интенсивно в высокотемпературном WC, в результате чего порошки WC, полученные по высокотемпературной технологии, после размола приобретают более дефектную структуру: при одинаковом размере блоков искажения в решетке больше, чем в низкотемпературном WC.
При спекании сплавов ширина линии (1122) WC-фазы уменьшается, что свидетельствует о росте совершенства кристаллической структуры этой фазы при воздействии температуры, причем значительное сужение заметно уже при предварительном низкотемпературном спекании. Наиболее интенсивна этот процесс протекает в высокотемпературных сплавах, в результате чего резкое различие в дефектности структуры порошков WC, наблюдаемое после размола, значительно уменьшается. Однако, если на стадии предварительного спекания различие в структуре WC-фазы в сплавах, изготовленных по разным вариантам, еще сохраняется, то в результате окончательного спекания оно практически нивелируется. При этом ширина линий WC-фазы в "низкотемпературном" сплаве становится близкой к ширине линий порошка WC до размола. По данным гармонического анализа, размеры блоков и микродеформации решетки в низкотемпературном порошке WC и в WC-фазе в сплаве, изготовленном по низкотемпературной технологии, имеют близкие значения.
Таким образом, особенности кристаллического строения промежуточных фаз, формирующиеся на каждой стадии технологического процесса, оказывают влияние на поведение порошков на последующих стадиях. Различия в дефектности структуры порошков после размола обусловливают, по-видимому, разный характер процесса спекания и особенности формирования микроструктуры сплавов и, соответственно, различие в их свойствах. В частности, отмечено влияние предыстории изготовления спеченных сплавов WC-Co на их микроструктуру — распределение зерен по размеру и стереологические характеристики. Следовательно, предложенная методическая основа позволяет по-новому подойти к решению проблем связанных с разработкой и применением эффективных технологических решений по обеспечению конструкционной прочности и долговечности твердосплавных вставок горного инструмента. В то же время, с целью сохранения уникальных свойств материала, вопросы управления структурообразованием и регулирования свойств твердых сплавов, как на стадии получения порошков, так и при всех последующих стадиях технологического процесса, посредством использования явлений наследственности и самоорганизации структуры материалов, требуют своего развития.
Рис. 2. Микроструктура сплава и распределение карбидных зерен по размерам, полученные с образцов (А - низкотемпературной серии, Б - высокотемпературной серии) после эксплуатации
В целом можно констатировать, что рассматриваемый круг проблем, связанных с получением твердых сплавов, улучшением их свойств и расширением области их применения, может быть решен только путем проведения комплекса исследований охватывающих всю цепочку: технологические процессы изготовления -структура - свойства - эксплуатационные качества.
В первую очередь, необходимо изучение процессов фазообра-зования и структурообразования исходного сырья, процессов формирования структуры и фазового состава на всех стадиях технологического процесса изготовления. Исследования структуры и свойств твердого сплава целесообразно проводить в многоуровневой постановке, а оценку эксплуатационных качеств образцов и деталей при различных видах нагружения осуществлять с использованием критериев конструктивной прочности. В свою очередь, результаты этих исследований позволят научно обосновать технологические решения по созданию твердых сплавов с требуемыми (необходимыми) свойствами. Методология исследования и послед ова-тельность этапов разработки технологии получения твердых сплавов с заданными физико-механическими и служебными свойствами основывается на физическом подходе, сориентированном на структурные исследования твердых сплавов с учётом структурной чувствительности на всех стадиях разработки технологии.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Боярских Г.А. Регламентация конструкторской прочности с учетом технологической и эксплуатационной наследственности бурового твердосплавного инструмента/ Г.А. Боярских, И.Г. Боярских// Горное оборудование и электромеханика - №7 - 2008. - С. 47-51.
2. Хорешок А.А. Факторы, влияющие на износ горных резцов/ А. А. Хорешок, А. Ю. Борисов // Вестник КузГТУ. - Кемерово. - 2002. - № 3. - С. 34-36.
3. Рентгенография твердых сплавов/ Горбачева Т.Б. М.: Металлургия, 1985. - 103 с.
4. Борисова Н.В., Новикова М.Б., Третьяков В.И. - Цветные металлы, 1975, №4, №7.
5. Андриевский Р.А., Коган В.Б., Дьяков В.К. - Порошковая металлургия,
1979, №10. ВШЭ '
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------
Бурков П.В. - к.т. н.,
Бурков В.П. - ассистент,
Юргинский технологический институт Томского политехнического университета, E-mail: [email protected]
