CC BY
51
УДК 622.24.051.79
© С.Е. Сухорукова, 2013
КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНОГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА
Рассмотрены условия работы породоразрушающего инструмента, влияние возникающих нагрузок на процессы разрушения в твердосплавном оснащении, зависимость износостойкости твердого сплава от напряжения в вершине трещины, твердости и размера зерна карбида вольфрама.
Ключевые слова: горные машины, породоразрушающий инструмент, буровой инструмент, буровые коронки, твердые сплавы, абразивное изнашивание, износостойкость, размер зерна карбида вольфрама ЖС.
При изготовлении породоразрушающего горного инструмента наиболее часто применяются твердые сплавы марок ВК, представляющие собой композиционные материалы, состоящие из твердого тугоплавкого карбида вольфрама (WC) и мягкой кобальтовой связки (Co).
Зерна карбида вольфрама в твердом сплаве связаны между собой в карбидный «скелет», обуславливающий его прочность. Кобальт присутствует в виде тонких прослоек и также образует «скелет», обуславливающий пластичность. Количественное соотношение и взаимное расположение этих «скелетов» обуславливают ряд уникальных физико-механических и эксплуатационных свойств твердого сплава.
Характерными условиями работы этих сплавов являются: высокие контактные нагрузки; постоянный контакт с абразивной средой буримой породы; неравномерность распределения пород по крепости в буримых пластах; наличие полостей в породе; коррозионная среда.
В сумме все эти факторы приводят к возникновению переменных и/или пиковых нагрузок на буровой инструмент и созданию повышенных напряжений в нем. Такое сложное нагружение вызывает возникновение следующих процессов: пластическая деформация; выдавливание кобальтовой фазы и удаление зерен карбидной фазы; образование и рост трещин.
Все эти факторы становятся причиной поломки и выкрашивания элементов твердосплавного оснащения. С выкрашиванием одного элемента, нагрузка перераспределяется на остальные твердосплавные элементы, нагружая их сверх нормы, что приводит к скорейшему выходу из строя всего инструмента. Срок службы инструмента, в конечном счете, определяется износостойкостью его твердосплавного оснащения.
Наиболее приемлемым для оценки износостойкости хрупкого материала является использование зависимости с учетом коэффициента интенсивности напряжения в вершине трещины, твердости и размера карбидного зерна: К 3/8 Н1/2
I, = ак-
где а - коэффициент, учитывающий форму зерна WC; к - коэффициент, учитывающий крепость буримой горной породы; К1с -интенсивность напряжения в вершине трещины, МПам12; Н -твердость, МПа; Вж - размер карбидного зерна, м.
Все входящие в выражение параметры изменяются в широких пределах и, следовательно, изменяют величину износостойкости. Одним из основных параметров, влияющих на износостойкость, является размер карбидного зерна, который легко определяется при исследовании микроструктуры. Классификацию твердых сплавов можно вести по размерам зерна (дисперсности) карбидной фазы в сплаве.
Наилучшими свойствами, пригодными для ведения горных работ по породам с крепостью 12^18, обладают зубки из твердых сплавов, попадающих в категории № 1—3 (табл. 1). Для получения размеров, характерных для этих категорий, применяются инновационные технологии получения нанофазного порошка, различные режимы технологии спекания и обработки готовых изделий. Изменение размеров карбидных составляющих приводит к изменению интенсивности изнашивания и срока службы (долговечности) инструмента, изготовленного по таким технологиям.
Твердые сплавы с размером карбидного зерна 0,07—0,49 мкм подвержены разрушению со следами пластической деформации,
а сплавы с размером зерен WC 1,2—2,9 мкм характеризуются выдавливанием связующей фазы с последующим выкрашиванием карбида.
При абразивном изнашивании, характерном для горного инструмента, износостойкость определяется отношением твердости абразива к твердости материала.
Помимо размера карбидного зерна, следует учитывать и величину кобальтовой прослойки:
X = асВж,
где X - толщина кобальтовой прослойки, м; а - коэффициент, учитывающий форму зерна WC; с - содержание кобальта, %; В№с -размер карбидного зерна, м.
Моделирование процесса измельчения структуры материла зубков буровых коронок показало изменение величины кобальтовой прослойки в зависимости от размера зерна карбида вольфрама для сплава ВК8 (табл. 1).
Из таблицы следует, что средний размер участков кобальтовой фазы снижается с уменьшением размера зерна карбида.
Уменьшение толщины кобальтовой прослойки приводит к увеличению межфазной границы и затрудняет вырывание зерен карбида, увеличивая тем самым износостойкость твердого сплава и, как следствие, срок службы твердосплавного инструмента.
Буровые коронки типа КНШ оснащаются зубками из спеченного твердого сплава марки ВК8 производства Кировоградского завода твердых сплавов и их зарубежных аналогов.
Таблица 1
Зависимость величины кобальтовой прослойки от размеров зерна карбида вольфрама
№ п/п Категория сплава Размер зерна Размер Со-
Бис, мкм прослойки X, мкм
1 Нанокристаллические <0,1 0,004
2 Ультрадисперсные 0,2-0,5 0,01-0,024
3 Субмикронные 0,8-1,5 0,045-0,084
4 Среднезернистые 2,0-3,0 0,128-0,192
5 Крупнодисперсные 4,0-6,0 0,29-0,432
6 Особо крупнозернистые 8,0-15,0 0,64-1,2
В отечественной и мировой практике одним из основных контролируемых параметров для зубков твердого сплава являются твердость и микротвердость. В состоянии поставки зубки имеют ИУ=1120^1716 Н/мм2 в зависимости от марки твердого сплава и его производителя.
Минимальная вводимая энергия для смещения дислокаций в кристаллической решетке твердосплавных зубков буровых коронок, должна быть эквивалентна 0,67 МэВ и не превышать энергию разрушения, эквивалентную 3,25 МэВ.
Для измельчения зерна карбида вольфрама в работе применяются высокоэнергетические методы воздействия, изменяющие структурное состояние твердого сплава: магнитно-импульсная обработка (МИО); высокоэнергетические воздействия, к числу которых относятся: облучение быстрыми электронами; облучение гамма-квантами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Wayne S.F., Baldoni J.G., Buljan S.T. Abrasion and erosion of WC-Co cermets with controlled microstructures. Tribol. Trans. 33 (1990) — с.611-617
2. Фальковский В.А., Клячко Л.И. Твердые сплавы. - М.: Изд-во «Руда и металлы», 2005. - 415 с.
3. Финкель В.М. Физика разрушения. - М.: Изд-во «Металлургия», 1970. - 376 с.
4. Креймер Г.С. Прочность твердых сплавов. - М. : Изд-во «Металлургия», 1971. - 2-е издание: 247 с.
5. Панов В.С. Чувилин А.М. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. - М.: МИСиС, 2001. - 428 с.
6. Подколзин П.С. Попов А.А., Прешман И.Б., Данчич В.В. Инструмент для бурения шпуров. - М.: Углетехиздат, 1953. - 164 с.
7. Трусов А. А. Твердосплавный инструмент. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1966. - 276 с.
