АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ВК15 ДЛЯ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Ю. А. Курганова, К. С. Панина, П. С. Бешенков

Аннотация


Традиционно при бурении крепких, весьма крепких и абразивных горных пород рекомендуется применять вольфрамокобальтовый твердый сплав ВК15. Мониторинг информационных источников по вопросу возможностей повышения потенциала материала продемонстрировал наличие механизмов, обеспечивающих структурные превращения, провоцирующие повышение показателей прочности, твердости и ударной вязкости материала. Применение таких технологических приемов взамен традиционных приведет к повышению эффективности работы и срока эксплуатации инструмента. В ходе работы получены экспериментальные образцы сплава ВК15, спеченные по четырем разным модернизированным режимам. На полученных экспериментальных образцах проведен сравнительный анализ свойств. Результаты металлографического исследования, осуществляемого на микроскопе «Carl Zeiss», позволили оценить распределение зерен карбида вольфрама в кобальтовой связке и продемонстрировать измельчение карбидной фазы. Так, при традиционном спекании количество зерен карбида вольфрама средним размером менее 1 мкм в диаметре от всего размерного диапазона достигает 19,5 %, в то время как после дополнительной термической обработки с выдержкой 1280°С – 41,5 %; 900°С – 59,1 %; 600°С – 54,5 %. Максимальное из исследуемых экспериментальных образцов увеличение твердости на 18 %, коэрцитивной силы – на 49 %, трещиностойкости – на 11 % традиционного сплава достигнуто на режиме 900-1280 °С. Выдвинута гипотеза о формировании дополнительных структурных элементов, не выявляемых методами оптической металлографии. Исследования топологии и структуры образцов на атомно-силовом микроскопе подтвердили наличие наноразмерных включений от 20 до 40 нм, предположительно карбида вольфрама, в кобальтовой связке.

Для ВК15 сравнительные исследования свойств и анализ микроструктуры экспериментальных образцов, полученных по традиционному режиму спекания и модернизированной технологии, показали, что режим спекания при 900 °С является приоритетным. Таким образом, разработанная технология, включающая спекание порошков в протоке водорода до 750 °С, с 750 до1450 °С в вакууме, подачу на максимальной температуре 1450 °С в течение 15 мин аргона под давлением 60 бар, последующее охлаждение до 900 °С и выдержку в течение часа, может быть рекомендована как наиболее рациональная для раскрытия потенциала материала и обеспечения повышенного уровня свойств бурового инструмента.


Ключевые слова


вольфрамокобальтовый твердый сплав; буровой инструмент; температурный интервал; термообработка

Полный текст:

PDF PDF (English)

Литература


Влияние добавок керамических наночастиц на структурные параметры и свойства твердых сплавов / Ю.И.Гордеев, А.К.Абкарян, Г.М.Зеер, А.А.Лепешев // Вестник СибГАУ. 2013. № 3. С. 49-54.

Захаров Д.А. Совершенствование состава, структуры, технологии и применения твердых сплавов в производстве буровых шарошечных долот: Автореф. дис... канд. техн. наук / Самарский государственный технический университет. Самара, 2014. 22 с.

Новый твердый сплав с наноупрочненной связкой / И.Ю.Коняшин, Б.Рис, Ф.Лахманн, A.А.Maзилкин, Б.Б.Страумал // Материаловедение. 2010. № 3. С.38-40.

Особенности уплотнения при спекании сплава ВН8М с добавками наноразмерного карбида вольфрама / Д.В.Федоров, О.В.Семенов, В.И.Румянцев, С.С.Орданьян // Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. № 3. С. 26-30. DOI: 10.17073/1997-308X-2014-3-26-30

Панов В.С. Технология и свойства спеченных твердых сплавов / В.С.Панов, В.Н.Шуменко. М.: Изд-во МИСиС, 2013. 144 с.

Панина К.С. Разработка технологии получения твердых сплавов с повышенными механическими свойствами на основе сплава ВК15 // Всероссийская научно-техническая конференция «Студенческая научная весна. Машиностроительные технологии»: Материалы конференции, 4-7 апреля, 2017 / МГТУ им. Н.Э.Баумана. М. URL: studvesna.ru?go=articles&id=1984 (дата обращения: 27.09.2017).

Патент 2548846 РФ. Способ получения спеченных твердых сплавов / Ю.И.Гордеев. Опубл. 27.12.2011. Бюл. № 11.

Патент 2534670 РФ. Способ упрочнения твердых сплавов / С.И.Богодухов. Опубл.10.12.2014. Бюл. № 34.

Патент 2631548 РФ. Способ получения изделий из твердого сплава на основе карбида вольфрама / П.С.Бешенков, Р.Ю.Куфтырев. Опубл.27.09.2017 Бюл. № 27.

Borovskii G.V. Nanostructured hard metals WC-Co produced from plasma chemical powders / G.V.Borovskii, Y.V.Blagoveshchenskii, A.V.Abramov // RWF Werbegesellschaft. Austria. 2009. Iss. 2. P. 224- 229.

Bartha L. Investigation of hip-sintering of nanocrystalline WC/Co powder / L.Bartha, P.Atato, A.L.Toth // Materials. 2000. Iss. 32. P.23-26.

Jia K. Microstructure, hardness, and toughness of nanostructured and conventional WC-Co composites / K.Jia, T.E.Fischer, B.Gallois // Nanostructural materials. 1998. Iss. 10. P. 875-891.

Patent 20080179104 USA. Nano-reinforced WC-Co for improved properties / Y.Zhang. Opubl. 31.07.2008.

Patent 20140023546 USA. Cemented carbide material / I.Yu.Konyashin, B.H.Ries, F.F.Lachmann. Opubl. 23.01.2014.

Patent 6524366 USA. Method of Forming Nanograin Tungsten Carbide and Recycling Tungsten Carbide / P.Seegopaul, L.Gao. Opubl.25.02.2003.

Tan G.L. Preparation and mechanical properties of nanostructured tungsten carbide alloys strengthened by carbon nanotubes / G.L.Tan, X.J.Wu, Z.Q.Li // MRS Proceedings. 2003. Iss. 788. P. 449.

Z.Fang. Synthesis, sintering and mechanical properties of nanocrystallaine cemented tungsten carbide / Z.Fang, X.Wang, T.Ryu // Metals Hard Mater. 2009. Iss. 27. P. 288-299.




DOI: http://dx.doi.org/10.31897/pmi.2018.5.518

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.