Твердосплавная вставка для оснащения бурового инструмента

 

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента. Задачей изобретения является усовершенствование конструкции твердосплавной вставки, при котором путем введения в оболочку легирующего элемента - бора обеспечивается повышение циклической стойкости и за счет этого увеличивается ресурс работы вставки. Сущность изобретения: твердосплавная вставка состоит из центральной части и охватывающей ее оболочки, при этом центральная часть по всей длине вставки выполнена с повышенным содержанием связующего металла, а охватывающая ее оболочка имеет возрастающее к периферии вставки содержание связующего металла, отличающаяся тем, что в упомянутой оболочке дополнительно содержится бор, содержание которого также возрастает к периферии вставки, при этом ширина центральной части вставки составляет 0,05-0,60 ширины вставки, а содержание бора в связующем металле возрастает по толщине оболочки соответственно от 0,001 в связующем металле на внутренней поверхности оболочки до 0,02-0,07 мас.% в связующем металле на ее наружной поверхности. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, непосредственно к твердосплавным вставкам, которыми оснащается этот инструмент.

Известны твердосплавные вставки для оснащения породоразрушающего инструмента, выполненные из однородного твердого сплава на основе карбида вольфрама и в качестве связующего металла-кобальта (В.И. Третьяков. Металлокерамические твердые сплавы. М. Металлургиздат, 1962). В процессе работы таких вставок происходит интенсивный их износ на периферии, что приводит к преждевременному выходу из строя по износу.

Чтобы устранить этот недостаток, были предложены вставки, состоящие из нескольких зон, выполненных из различных марок твердого сплава (Патент США N 2842342, кл. 255-63, опубл. 08.07.58, патент США N 2889138, кл. 255-64, опубл. 02.06.59). Зоны различались количественным содержанием карбида вольфрама и связующего металла, при этом периферийные участки вставки были изготовлены из сплава с пониженным содержанием связующего металла (6-10 мас. Co, 90-94 мас. WC, а центральная часть была выполнена с повышенным содержанием связующего (15-20 мас. Сo, 80-85 мас. WC). Такое выполнение твердосплавной вставки позволило увеличить ее износостойкость. Одним из недостатков известных твердосплавных вставок является низкая прочность, в результате чего они выходили из строя по поломкам.

Наиболее близким техническим решением, принятым нами за прототип, является твердосплавная вставка для бурового инструмента (Патент США N 4372304, Вставки для шарошечной буровой коронки, кл. E 21 B 10/08, кл. 175/374, опубл. 8.02.1983), состоящая из центральной части, которая по всей длине вставки выполнена с пониженным содержанием связующего металла и охватывающей ее оболочки, содержание связующего металла в которой возрастает к периферии вставки. Ширина центральной части вставки в материалах патента не оговорена. Содержание связующего металла в центральной части вставки составляет 6-10 мас. Co, остальное карбид вольфрама, а в охватывающей ее оболочке 12-18 мас. Сo. В процессе изготовления такой вставки происходит частичное перераспределение кобальта между центральной частью и оболочкой, в результате чего в оболочке содержание связующего металла плавно возрастает к периферии вставки.

Одним из недостатков вставки является ее низкая циклическая стойкость в условиях интенсивных ударных нагрузок при ударно-вращательном бурении, особенно крепких горных пород (σ_сж 50-70 МПа).

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования конструкции твердосплавной вставки, при которой путем введения в оболочку легирующего элемента бора обеспечивается повышение циклической стойкости и за счет этого увеличение ресурса работы вставки.

Для решения поставленной задачи в известной твердосплавной вставке, выполненной из карбидов металлов и связующего металла, состоящей из центральной части, расположенной по всей длине вставки и выполненной с пониженным содержанием связующего металла и охватывающей ее оболочки, которая имеет возрастающее к периферии вставки содержание связующего металла, согласно изобpетению в оболочке в связующем металле дополнительно содержится бор, содержание которого также возрастает к периферии вставки, при этом ширина центральной части вставки составляет 0,05-0,60 ширины вставки, а содержание бора в связующем металле возрастает по толщине оболочки, соответственно, от 0,001 на внутренней поверхности оболочки до 0,02-0,07 мас. на ее наружной поверхности.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков предложения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем. При введении в связующий металл бора в количестве от 0,001 до 0,02-0,07 мас. по отношению к связующему металлу в последнем образуются твердые растворы, которые имеют более высокий модуль упругости и микротвердость по сравнению со связующим металлом, не содержащим бор. Это позволяет увеличить несущую способность связующей фазы.

Увеличение содержания бора к периферии позволяет достичь максимального эффекта упрочнения на поверхности вставки, так как именно на поверхности вставки возникают наибольшие напряжения и микротрещины. В процессе работы микротрещины перемещаются преимущественно по объему и по межфазным поверхностям карбидная фаза связка. Бор имеет высокое сродство к переходным металлам, углероду и связующему металлу (Co, Ni, Fe). В связи с этим бор создает на границе карбид металла связующий металл прочные связи с атомами металлов и углеродом, увеличивая адгезию связки к карбидной фазе, и тем самым препятствует продвижению микротрещин по межфазным границам. В результате комплексного воздействия бора на несущую способность связующей фазы и ее адгезию к карбидной фазе существенно тормозится рост трещин в оболочке вставки, что увеличивает ее циклическую стойкость и ресурс работы в целом.

Приведенные доводы показывают, что предложение не вытекает явным образом из известного уровня техники, следовательно, оно имеет изобретательский уровень.

На фиг.1 представлен общий вид заявляемой вставки; на фиг.2 схема распределения бора и кобальта в радиальном сечении А-А вставки.

Твердосплавная вставка (фиг. 1) выполнена цилиндрической и состоит из центральной части 1, выполненной из твердого сплава WC-Co, и охватывающей ее оболочки 2. Центральная часть 1 вставки, имеющая диаметр, равный 0,3 диаметра вставки, выполнена с пониженным содержанием связующего металла, например 7 мас. Co (фиг.2), а охватывающая ее оболочка 2 с возрастающим к периферии вставки содержанием связующего металла и бора. При этом содержание связующего металла в оболочке увеличивается к боковой наружной поверхности вставки до 15 мас. Сo, а содержание бора увеличивается от 0,001 мас. на внутренней поверхности оболочки до 0,05 мас. на наружной поверхности оболочки в связующем металле (оптимальный вариант заявляемой вставки соответствует примеру 1 в прилагаемой таблице).

В качестве связующего металла могут быть использованы кобальт, никель, железо или их различные комбинации, которые являются эквивалентными друг другу.

Возможно также выполнение вставки в виде пластины или иной формы, применяемой в горнодобывающей промышленности (в этом случае следует говорить о ширине вставки, а не о ее диаметре).

В статическом состоянии твердосплавные вставки, запрессованные в стальной корпус породоразрушающего инструмента, испытывают только контактные напряжения сжатия.

Разрушение горной породы, например, при бурении шпуров осуществляется путем одновременного вращения породоразрушающего инструмента и циклических ударов твердосплавным инструментом по горному массиву. В процессе работы твердосплавные вставки испытывают циклические знакопеременные нагрузки и абразивное воздействие горной породы. Последняя вызывает износ вставки, а циклические нагрузки при достижении предела усталостной прочности вызывают появление микротрещин. Микротрещины зарождаются на поверхности вставки и распространяются по толщине оболочки вглубь вставки, перерастая постепенно в макротрещины, что вызывает поломки вставок. Таким образом, ресурс работы вставки зависит от скорости движения микротрещин в оболочке 2 вставки. В заявляемом техническом решении в результате введения бора скорость движения микротрещин в оболочке 2 вставки существенно замедляется. Экспериментальные исследования, проведенные нами, показывают, что если одновременно с изменением количества бора в оболочке 2 изменить ее толщину, то можно достичь высокой стойкости твердосплавной вставки в зависимости от энергии удара, крепости и абразивной способности горных пород. Например, для горных пород прочностью 70 МПа и абразивной способностью 35 мг (определенной по методике ИГД им. А.А. Скочинского) наиболее эффективной является ширина центральной вставки, равная 0,3 ширины вставки. Таким образом, были выявлены заявляемые параметры центральной части вставки и необходимое и достаточное для получения указанных выше технических результатов количество вводимого в оболочку бора. Данные приведены в таблице.

Заявляемая твердосплавная вставка может быть получена по известной технологии следующим образом. Сначала из смеси ВК8 (8 мас. Сo, 92 мас. WC) ТУ 19-60-78 формируют и окончательно спекают центральную часть вставки, например, диаметром 3 мм и высотой 16 мм. Затем из твердосплавной смеси ВК15 (15 мас. Co, 85 мас. WC) на центральную часть напрессовывают оболочку, на наружную часть которой наносят слой из порошка нитрида бора. Толщину оболочки рассчитывают таким образом, чтобы после усадки диаметр всей составляет 10 мм. Собранную таким образом вставку повторно спекают в неокисляющей среде, предпочтительно в вакууме. Причем при спекании в вакууме нагрев до температуры 1350^oC осуществляется при остаточном давлении 1-10 Па. После достижения температуры 1350^oC в рабочем пространстве печи создается давление 30-40 МПа. При этих значениях температуры и давления осуществляется жидкофазное спекание, при котором формируется оболочка с повышенным содержанием связки и происходит частичная миграция расплава кобальта из контактирующих слоев оболочки в центральную часть. В результате миграции в центральной части вставки содержание кобальта увеличивается до 10 мас. а в оболочке образуется плавное увеличение к периферии кобальта от 10 до 15 мас. В период спекания при температуре 1350^oC происходит разложение нитрида бора на азот и бор. Азот уходит в атмосферу печи, а бор диффундирует в оболочку вставки. Продолжительность выдержки составляет 3 мин. Распределение бора по толщине оболочки представлено на фиг. 2. При этом на боковой поверхности вставки содержание бора составило 0,05 мас. Изменяя диаметр центральной части и толщину оболочки вставки, продолжительность выдержки при жидкофазном спекании, можно управлять распределением кобальта и бора в оболочке и центральной части вставки. Продолжительность процесса жидкофазного спекания рассчитывают исходя из коэффициента диффузии бора и толщины таким образом, чтобы по толщине оболочки получить заданное распределение бора.

Аналогичным образом были получены твердосплавные вставки при средних, граничных и при выходе за граничные значения отношения диаметра центральной части к общему диаметру вставки, и содержания бора по толщине оболочки. При тех же условиях были изготовлены вставки по прототипу. Данные приведены в таблице.

Испытания по определению прочности при циклическом сжатии твердосплавных вставок были проведены на специальном гидравлическом стенде "Sonntag" по методу удара о стальную плиту. Критерием стойкости при циклическом сжатии вставки служило число ударов до разрушения. Вставки, заявляемые и по прототипу, зачеканивали в приспособление. Энергия удара была равной для всех вставок и контролировалась датчиком давления в магистрали маслопровода.

Результаты испытаний приведены в таблице. Согласно проведенным испытаниям новый технический эффект достигается в пределах, указанных в формуле изобретения.

Формула изобретения

Твердосплавная вставка для оснащения породоразрушающего инструмента, состоящая из карбида вольфрама и связующего металла, центральная часть которой по всей длине вставки выполнена с пониженным содержанием связующего металла, а охватывающая ее оболочка имеет возрастающее к периферии вставки содержание связующего металла, отличающаяся тем, что в упомянутой оболочке в связующем металле дополнительно содержится бор, содержание которого также возрастает к периферии вставки, при этом ширина центральной части вставки составляет 0,05 - 0,60 ширины вставки, а содержание бора в связующем металле возрастает по толщине оболочки соответственно от 0,001 мас. в связующем металле на внутренней поверхности оболочки до 0,02 0,07 мас. в связующем металле на ее наружной поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 08.06.2000

Дата публикации: 10.12.2011

---