Металлокерамическая твердосплавная пластина

 

Изобретение относится к металлокерамическим твердосплавным пластинам, применяемым в инструментах для бурения по породе и минералу. Цель - повышение износостойкости пластины. Пластина состоит из сердцевины и поверхностного слоя из твердого сплава на основе карбида вольфрама с 6-15% кобальта, содержащего 15-35% эта-фазы с размером зерна 2-4 мк. Поверхностный слой выполнен шириной 2-3,5 мм из внутренней и наружной зон с содержанием 9-22% кобальта во внутренней зоне и 3-10% кобальта в наружной зоне при ширине наружной зоны 0,5-2 мм. Пластина обеспечивает большой срок службы и имеет повышенную износостойкость. 6 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ЖИВЙ4И

ПЮ-10 " 11 йЛ

БЛ с" " !

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ к rlATEHTV

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР! (21) 3975462/27-02 (22) 12.11.85 (31) 8405667.0; 8503804.0 (32) 13.11.84; (33) SE (46) 30.10.90. Бюл. 11! 40 (71) Зантраде Лтд. (СН) (72) Удо Карл Райнхольд Фишер (DE), Эрик Торбйерн Хартцелль, Ян Гуннар

Хьялмар Акерман (SE) (53) 621.762:669.018.95(088 ° 8) (56) Metalls Technologia, 1976, 11! 1 l, р. 489-493.

Патент ФРГ У 2812186, кл. С 22 С 29/00, 1980.

Патент ФРГ - 1502019, кл. С 22 С 29/00, 1972.

Изобретение относится к металлокерамическим твердосплавным пластинам, применяемым, предпочтительно, в инструментах для бурения по породе к минералу.

Целью изобретения является повышение иэносостойкости пластины.

Предлагаемая металлокерамическая твердосплавная пластина состоит из сердцевины и поверхностного слоя из твердого сплава карбид вольфрама— кобальт, причем из.твердого сплава . иа основе карбида вольфрама с 6-15% кобальта, содержащего 1 5-35% эта-фазы с размером зерна 2-4 мкм, поверхностный слой выполнен шириной 2-3,5 мм из внутренней и наружной зон с со..Я0„„1604166 А 3 (51)5 С 22 С 29/08, В 23 В 27/14, В 32 В 7/02

2 (54) МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКАЯ ТВЕРДОСПЛАВНАЯ ПЛАСТИНА (57) Изобретение относится к металлокерамическим твердосплавным пластинам, применяемым в инструментах для бурения по породе и минералу. Цель — повьппение износостойкости пластины.

Пластина состоит из сердцевины и поверхностного слоя из твердого сплава на основе карбида вольфрама с 6-15% кобальта, содержащего 15-35Х эта-фазы с размером зерна 2-4 мкм. Поверхностньп слой выполнен шириной 2-3,5 мм из внутренней и наружной зон с содержанием 9-22% кобальта во внутренней зоне и 3-10Х кобальта в наружной зоне при ширине зоны 0,5-2 мм.

Пластина обеспечивает большой срок службы и имеет повышенную износостой- кость. 6 табл. ! держанием 9-22% кобальта во внутренней зоне и содержанием 3-10% кобальта в наружной зоне при ширине наружной зоны О, 5-2 мм.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами, Пример 1. Из порошка карбида вольфрама, содержащего 6% кобаль-, та, с 0,3% субстехиометрическим содержанием углерода (5,5% углерода вместо 5,8Х углерода для обычного металлокерамического твердого сплава) получили прессованием дисковые пластины высотой 16 мм и диаметром 10мм.

Пластины предварительно спекали в атмосфере азота в течение ч при 900 С и затем подвергали стандартному спе1604166 канию при 1450 С. После этого пластины редко упаковали в . мелкозернистом порошке Al О Э в графитовых ящиках и термообработали в науглероживающей атмосфере в течение 2 ч при 1450 С в печи толкательного типа. На началь-, ной стадии спекания образовывалась структура альфа-бета-фазы, в которой равномерно распределена тонкозернистая эта-фаза. Одновременно на поверхности пластин образовывалась очень узкая зона альфа-бета структуры,.по" тому что углерод начинает диффундировать в пластинах и превращает 15 э та-фаз у в альфа-бета-фазу. После спекания в течение 2 ч диффундирует достаточное количество углерода, который трансформирует всю эта-фазу в широкой поверхностной зоне. Плас- 20 тины, изготовленные этим способом, имели после спекания 2 мм поверхностную зону, свободную от эта-фазы, и сердцевину диаметром 6 мм, содержащую около 25% от тонко распреде- 25 ленной эта-фазы с размером зерна около 2 мм. Содержание кобальта на поверхности составило 4,8Х, а снаружи эта-фазы 10,1%. Ширина части, имеющей низкое содержание кобальта, равнялась например 1 мм.

Пример 2. Порода. — твердый абразивный гранит с небольшим количеством лептита, прочность на сжатие 2800-3100 бар. Машина — гидравлическая буровая машина для тяжело35 го колонкового бурильного молотка.

Давление подачи 85 бар, давление при вращений 45 бар, число оборотов

200 о6./ìèí.

Буровые колонки: 45 мм дисковые коронки, 2 пера с 10 мм периферийными пластинами высотой 16 мм, 10 6уровых коронок для каждого варианта.

Состав твердого сплава: 94% КС и 6Х кобальта. Размер зерна (образцы 1-3) равен 2,5 мкм.

ОбСреднее значеразцы ние

Мини- Разброс мальМаксимальное ное

300,8

310,2

225,8

220

Наилучший образец сплава с этафазой показал примерно на 40Х более продолжительный срок службы, чем наилучшая марка обычного твердого сплава.

Пример 3. Абразивный гранит, имеющий прочность на сжатие примерно 2000 бар. Машина — пневматическое оборудование с гусеничным прчводом для бурения в породе нисходящего шпу5 ра. Давление воздуха 18 бар, число оборотов 40 об./мин. Буровые коронки — коронки размером 165 мм для бурения нисходящего шпура, имеющие пластины диаметром 14 мм, высотой

24 мм, 5 буровых коронок для каждого варианта, Интервал между перезаточками буровой коронки 42 м. Глубина шпура

21 м, Состав металлокерамического твердого сплава такой же, как в примере 2.

Все образцы сплава имели размер зерна 2,5 мкм.

Испытываемые образцы.

Образец 1 содержит сердцевину диа° метром 1,6 мм с 30-35% эта-фазы с раз40

Испытываемые образцы с эта-фазой.

Сердцевина с содержанием 20 об,% эта-фазы с размером зерна 2-3 мкм, диаметром 6 мм, поверхностный слой шириной 2 мм, причем содержание кобальта в наружной зоне шириной около 1 мм 4%, а во внутренней 10Х.

Сердцевина с содержанием около

35 об ° % эта-фазы с размером зерна

2-3 мм,поверхностный слой шириной

1,25 мм с содержанием кобальта в наружной зоне шириной около 0,5 мм

3%, а во внутренней 12%.

Структура сплава WC-Со без этафазы.

Структура WC-Co без эта-фазы, но более тонкоизмельченная с размером

r частиц примерно 1,8 мкм.

Процедура испытания. Этими буровыми коронками пробурили несколько рядов шпуров по семь шнуров в ряду на глубину 5 м и затем их переместили для создания точных условий для бурения. При первом поврежденйи пластины буровые коронки сразу же снимали с испытания и отмечали количество пробуренных метров (см. табл. 1) °

Таблица

Количество пробуренных метров

359 270 32,9

361 271 39,8

240 195 17 2

340 103 65

Таблица

4166

Количество инес., Х

Испытываемые образцы струментов

106

9,5

15

9,5

Содержание кобальта в наружной зоне шириной около 1 мм 4Х а во внутренней около 9Х.

Все пластины имели высоту 17 мм

25 и диаметр 16

После повреждения испытываемой пластины или обычной пластины инстТа блица 2

820 100 1560 1390 1520

573 70 1420 1420 1415

429 52 1520 1520 1515

2

Таблица 4

Поврежденные или заОбра зец

Категория мень шение

ысоты износ), мм

35 мененные пластины

40 1

3,5

1,2 (относительный)

2

2,6

2,6

Из табл. 4 следует, что предложенная пластина не имеет повреждений.

Пример 5. Место для испытания — бурение в открытом карьере с

50 шарошечньии буровыми головками (три конические буровые коронки) . Усилие подачи 40 т при 70 об./мин. Пробурили шнуры глубиной 10-17 м. Буровая коронка — двенадцать 1/4 шарашечных

55 буровых коронок по две коронки для каждого варианта. Порода — в основном пустая порода с зонами кварца, прочность на сжатие 1350-1600 килофунтов/см

5 160 мером зерна 2-3 мкм и поверхностный слой с содержанием кобальта в наружной зоне шириной 1,5 мм 3,5Х и 10,5Х во внутренней зоне.

Обычные марки сплава для сравнения. Сплав 2 карбида вольфрама и кобальта без эта-фазы. Сплав 3 карбида вольфрама и кобальта без эта-фазы, тонкозернистый с размером зерна

1,8 мкм.

Испытания проводили при каждой перезаточке буровой коронки, т.е. после каждого второго шпура изменяли порядок буровых коронок так, чтобы сохранялись одинаковые условия бурения. Бурение прекращали для каждой буровой коронки, когда износ диаметра становится слишком большим или когда было видно повреждение пластины (табл. 2).

Обра- Количество про- Твердость до зец буренных бурения метров

Пример 4. Беэ нагрева разрезали 500 м асфальта от среднего г абразивного типа до сильно абразивного типа. Температура воздуха

15 С. Были испытаны три варианта.

Машина - дорожный струг четырехколесная машина с гидравлическим приводом и автоматическим регулироанием глубины резания.

Ножевой вал — ширина 2 м, диаметр, включая инструмент, 950 мм, окружная скорость 3,8 м/с, глубина резания 40 мм.

Оборудование — вокруг вала (цилиндр) равномерно распределили 166 инструментов, из которых 60 инструментов (20 для каждого варианта) имели обычный металлокерамический твердый сплав 1 и 2 и предложенный твердый сплав . Испытываемые инструменты работали попарно одновременно и быпи равномерно распределены вокруг вала по всей его ширине (см. тайл. 3).

Обычная марка сплава

Обычная марка сплава

Сплав, содержащий около

30 об.X эта-фазы с размером зерна

2-3 мкм румент сразу заменяли стандартным инструментом. Величина износа образцов показана в табл. 4.

1604166

Испытываемые образцы.

Стандартный сплав 1 содержит 10% кобальта, пластина диаметром 14 мм и высотой 21 мм.

Сплав 2 содержит 15 об.% эта-фазы с размером зерна 2-3 мм и 10% кобальта, пластина диаметром 14 мм и высотой 21 мм имеет 2 мм поверхностную зону, свободную от эта-фазы и сердце" 10 ! вину из эта-фазы диаметром 9 мм.

Градиент кобальта составил 7% в поверхности и 15% в части, богатой кобальтом. Ширина наружной зоны равнялась 1,5 мм. 15

Результаты испытаний пластин представлены в табл. 5.

Таблица 5

Показатель

Пробу- Показаренные тель метры

ОбГлубина бурения, м/ч разец

123

1 1220 00 13

2 1750 140 16

Зр

Как следует из табл. 5, пластины из сплава предложенного состава имеют более продолжительный срок службы, а также большую скорость бурения.

Пример 6, В машинах для бурения применяют шарошки с твердосплавными пластинами. Пластины из сплава, имеющего сердцевину из этафазы, испытали на буровой головке 40 (7 футов).

Порода — гнейс, прочность на сжатие 267 MIIa, износостойкая. Длина бурения 149,5 м, скорость бурения

0,8 м/ч. 45

Одну ша р ошк у с на бдили плас тинами диаметром 22 мм и высотой 30 мм из стандартного сплава, содержащего 15% кобальта и остальное карбид вольфрама с размером зерна 2 мкм. Испытываемую шарошку,помещенную диаметрально на буровую головку для проходки восстающего, снабдили пластинами, имеющими сердцевину с содержанием 20 об.% с разI мером 3 м на 2-3 мм состава; 15% кобальта, карбид вольфрама с размером зерна 2 мкм, Поверхностный спой шириной 3 мм, диаметр сердцевины из эта-фазы 16 мм.

Содержание кобальта в наружной зоне шириной 1 мм 10%, а во внутренней

22%, В шарошке с стандартными пластинами 30% пластин повредились, тогда как в испытываемой шарошке вышли из строя только 5% пластин.

Пример 7. Испытание проводили на армированных буровых коронках диаметром 48 мм, Порода — магнетит пустая порода, Буровая машина — Атлас Копко

C0Pl 038ÍÄ?. Применяли колонковый бурильный молоток. Режущая пластина; высота 21 мм, ширина 13 мм, длина

17 мм. Марка металлокерамического твердого сплава: 11% кобальта и остальное карбид вольфрама.с размером зерна 4 мкм.

Образец 1 — сердцевина с содержанием 25 об.% эта-фаза с размером зерна 3-4 мкм и поверхностчый слой шириной 3 мм с содержанием кобальта во внутренней зоне шириной около

1 мм 15% и в наружной 8%.

Образец 2 — стандартный.

Результаты испытаний представлены в табл. 6.

Таблица 6

Образец

Срок службы, измеренный в пробуренных метрах

Износостойкость, м/мм

508

375

416

295

Вариант 1

Как следует из табл. б, предложенная пластина обеспечивает большой срок службы и имеет меньший износ, Формула изобретения

Металлокерамическая твердосплавная пластина предпочтительно для бурения по породе и выемки минералов, состоящая из сердцевины и поверхностного слоя из твердого сплава карбид вольфрама кобальт, о т л и ч а ю— щ а я с я тем, что, с целью повышения износостойкости пластины, сердцевина выполнена диаметром 1,7-16 мм из твердого сплава на основе карбида

1604166

Составитель Э. Залманова

Редактор М. Недолуженко Техред М.Дидык Корректор С. Черни

Заказ 3395 Тираж 499 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 вольфрама с 6-15Х кобальта, содержащего 15-35Х эта-фазы с размером зерна 2-4 мкм, поверхностный слой выполнен шириной 2-3,-5 мм из внутренней

5 и наружной зон с содержанием 9-22Х кобальта во внутренней зоне и содержанием 3-10Х кобальта и наружной зоне при ширине наружной зоны 0 5-2 мм.