Устройство для разрушения минеральных и искусственных материалов

 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к инструментам для разрушения минеральных и искусственных материалов, и может быть использовано в рабочих органах добычных и проходческих комбайнов при добыче полезных ископаемых и образовании выработок в грунте, а также в рабочих органах строительно-дорожных машин при строительстве и ремонте дорог, аэродромов и других промышленных объектов. Устройство для разрушения минеральных и искусственных материалов включает корпус и закрепленный на корпусе разрушающий элемент из композитного материала. Композитный материал содержит карбид вольфрама и связующее вещество, включающее кобальт и никель. Весовой процент содержания кобальта в композитном материале составляет не более (135,67-1,50 Y) или не менее (159,83-1,75 Y), где Y - твердость композитного материала по шкале твердости А по Роквеллу. Повышается долговечность и надежность работы долота. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к инструментам для разрушения минеральных и искусственных материалов, и может быть использовано в рабочих органах добычных и проходческих комбайнов при добыче полезных ископаемых и образовании выработок в грунте, а также в рабочих органах строительно-дорожных машин при строительстве и ремонте дорог, аэродромов и других промышленных объектов.

Известен породоразрушающий инструмент для горных машин, который содержит корпус и закрепленный на корпусе разрушающий элемент. Разрушающий элемент выполнен из твердого сплава, который содержит карбид вольфрама и кобальт (см. , например, Глатман Л.Б. и др. Инструмент очистных и проходческих комбайнов (Горное и нефтепромысловое машиностроение, т.5. Итоги науки и техники. - М.: ВИНИТИ АН СССР, 1978, с.86-88).

В процессе эксплуатации инструмент входит в принудительный контакт с разрушаемым материалом для разрушения и удаления последнего. Разрушающий элемент, входящий во взаимодействие с разрушаемым материалом, подвержен абразивному воздействию, ударным нагрузкам и термическим усталостным напряжениям. По этой причине разрушающий элемент должен быть прочным и износостойким, поскольку он определяет в основном срок службы устройства в целом. К недостаткам известного устройства можно отнести необходимость использования в инструменте различного разрушающего элемента, изготовленного из соответствующего сплава, для эффективного разрушения материала, имеющего различные физико-механические характеристики. При этом следует отметить, что разрушающий элемент является одной из дорогостоящих частей устройства, в том числе и из-за использования дорогого кобальта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для разрушения минеральных и искусственных материалов, которое содержит корпус и закрепленный на корпусе разрушающий элемент из композитного материала. Композитный материал содержит крупнозернистый карбид вольфрама и связующее вещество, включающее кобальт (см., например, заявку ЕП ведомства 0288775, кл. Е 21 С 35/18, опубл. 02.11.88).

Известное устройство частично устраняет недостатки описанного выше аналога. Это осуществляется за счет выбора определенного оптимального содержания кобальта в композитном материале, который производят в зависимости от твердости последнего, что позволяет обеспечить оптимальную износостойкость разрушающего элемента при разрушении материалов с различными физико-механическими характеристиками. При этом некоторое снижение содержания кобальта в композитном материале уменьшает стоимость устройства. Однако повышение износостойкости разрушающего элемента за счет снижения процентного содержания кобальта в композитном материале приводит к снижению другой немаловажной его характеристики - ударной вязкости, которая существенно влияет на срок службы инструмента. Таким образом, к недостаткам известного устройства можно отнести снижение срока службы инструмента при разрушении материалов, содержащих твердые включения, то есть неоднородных по составу, обусловленное снижением ударной вязкости композитного материала, из которого изготавливают разрушающий элемент.

Изобретение направлено на решение задачи по созданию такого устройства для разрушения минеральных и искусственных материалов, которое обеспечивало бы повышение срока его службы при разрушении содержащих твердые включения материалов при одновременном снижении стоимости устройства за счет снижения содержания дорогостоящего кобальта в композитном материале. Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в повышении ударной вязкости композитного материала, из которого изготовлен разрушающий элемент устройства, при одновременном сохранении на заданном уровне его износостойкости.

Из уровня развития науки и техники известно использование композиционного материала, который содержит карбид вольфрама и связующее вещество, включающее кобальт и никель (см., например, патент России 2032524, кл. С 22 С 29/00, опубл. 10.04.95). Известность использования такого композитного материала не порочит настоящего изобретения. Выбор определенного весового процента содержания кобальта в композитном материале в зависимости от твердости последнего при наличии содержания никеля в композитном материале позволяет получить указанный выше технический результат, заключающийся в оптимальном соотношении между ударной вязкостью и износостойкостью устройства при разрушении им минеральных и искусственных материалов, содержащих твердые включения.

Поставленная задача решена за счет того, что в устройстве для разрушения минеральных и искусственных материалов, которое включает корпус и закрепленный на корпусе разрушающий элемент из композитного материала, содержащего карбид вольфрама и связующее вещество, включающее кобальт, связующее вещество дополнительно содержит никель, при этом весовой процент содержания кобальта в композитном материале составляет не более (135,67 - 1,50 Y) или не менее (159,83 - 1,75 Y), где Y - твердость композитного материала по шкале твердости А по Роквеллу.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что весовой процент (X₂) содержания никеля в композитном материале определяется из условия: X₂<(A-Y)/K-X₁, где А = 94,0 эмпирическая константа; K₁ = 0,57÷0,67 - эмпирический коэффициент; X₁ - весовой процент содержания кобальта в композитном материале.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что суммарный весовой процент содержания кобальта и никеля в композитном материале не превышает 20,0.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство для разрушения минеральных и искусственных материалов и на фиг.2 график зависимости между твердостью по шкале твердости А по Роквеллу и процентным по весу содержанием кобальта в композитном материале.

Устройство для разрушения минеральных и искусственных материалов включает корпус 1. Корпус 1 может иметь форму тела вращения (фиг. 1) при использовании, например, на горных или строительно-дорожных машинах или любую другую геометрическую форму (на чертежах не изображено) при использовании, например, на снегоочистителях или землеройных машинах. Корпус 1 может быть изготовлен преимущественно из стали и иметь державку 2. Державка 2 с помощью разъемного или неразъемного соединения закреплена на держателе 3. В качестве такого соединения для закрепления державки 2 на держателе 3 может быть использовано, например, разрезное кольцо 4 из упругого материала. Держатель 3 закреплен на корпусе рабочего органа (на чертежах не изображен) соответствующей горной или строительно-дорожной машины с помощью разъемного или неразъемного соединения. Устройство включает закрепленный на корпусе 1 разрушающий элемент 5. Разрушающий элемент 5 может иметь любую геометрическую форму в зависимости от области применения устройства. Например, при применении на резце горной или строительно-дорожной машины разрушающий элемент 5 имеет форму тела вращения, а при применении на отвале плужного снегоочистителя форму призмы (на чертежах не изображено). Разрушающий элемент 5 может быть соединен с корпусом 1 с помощью любого известного неразъемного соединения, например, с помощью пайки или с помощью любого известного разъемного соединения, например винтового соединения. Разрушающий элемент 5 выполнен из композитного материала, который содержит карбид вольфрама (WC) и связующее вещество, которое включает кобальт (Со) и никель (Ni).

Эмпирически установлено, что весовой процент (X₁) содержания кобальта (Со) в композитном материале должен составлять не более (135,67 - 1,50 Y) или не менее (159,83 -1,75 Y), где Y - твердость композитного материала по шкале твердости А по Роквеллу. Указанные зависимости между твердостью (Y) композитного материала и весовым процентом (X₁) содержания кобальта (Со) в нем получены в результате математической обработки данных, полученных в результате проведенных испытаний. Значение (Y) твердости композитного материала по шкале твердости А по Роквеллу обычно выбирается из диапазона 82-90. Выбор указанного диапазона обусловлен требованиями, предъявляемыми к разрушающему элементу 5 устройства для разрушения минеральных и искусственных материалов. Полученные эмпирические зависимости между весовым содержанием (Х₁) кобальта (Со) в композитном материале и твердостью (Y) композитного материала отображены на фиг. 2. Две прямые линии соответственно 6 и 7 ограничивают область значений весового содержания (X₁) кобальта (Со) в композитном материале, которая должна быть исключена при определении значений весового содержания (X₁) кобальта (Со) в зависимости от твердости (Y) композитного материала. Указанные выше зависимости получены опытным путем для композитного материала, связующее вещество которого содержит кобальт (Со) и никель (Ni). Таким образом, например, для получения композитного материала, который имеет заданные физические и механические характеристик и содержит карбид вольфрама (WC), кобальт (Со) и никель (Ni), при заданной твердости (Y) композитного материала, равной 86 единиц по шкале твердости А по Роквеллу, необходимо, чтобы содержание (X₁) кобальта (Со) в композитном материале составляло бы более 9,33 вес.% или менее 6,67 вес.%. Общность между различными выбранными составами композитного материала заключается в том, что карбид вольфрама (WC) в каждом составе имеет достаточно крупный размер зерен, а сам композитный материал дополнительно содержит никель (Ni). Определение размера зерен карбида вольфрама (WC) не является предметом настоящего изобретения и, следовательно, для его характеристики достаточно понятие "крупный", так как наличие никеля (Ni) и определенное содержание (X₁) кобальта (Со) по весу, а также твердость (Y) композитного материала служат достаточным основанием для специалистов в этой области для определения, каким должен быть размер зерен цементированного карбида вольфрама в композитном материале.

По одному из вариантов конструктивного выполнения устройства весовой процент (Х₂) содержания никеля (Ni) в композитном материале может определяться из условия: X₂<(A-Y)/K-X₁, где А = 94,0- эмпирическая константа; К₁ = 0,57÷0,67 - эмпирический коэффициент; X₁ - весовой процент содержания кобальта (Со) в композитном материале. Указанная выше математическая зависимость между твердостью (Y) композитного материала, весовым процентом (X₁) содержания кобальта (Со) в композитном материале и весовым процентом (Х₂) содержания никеля (Ni) в композитном материале получена в результате математической обработки данных, полученных эмпирическим путем.

Таким образом, например, для получения композитного материала, который обладает заданными физическими и механическими характеристиками и содержит карбид вольфрама (WC), кобальт (Со) и никель (Ni), при заданной твердости (Y) композитного материала, равной 83 единицы по шкале твердости А по Роквеллу и при заданном содержании (X₁) кобальта (Со) в композитном материале, равном 10,0 весовых единиц, предпочтительно, чтобы содержание (Х₂) никеля (Ni) в композитном материале составляло, например, 4,20 вес.%.

По одному из вариантов конструктивного выполнения устройства для разрушения минеральных и искусственных материалов предпочтительно, чтобы суммарный весовой процент содержания кобальта (Со) и никеля (Ni) в композитном материале не превышал 20,0 весовых единиц, то есть соблюдалось следующее условие: X₁ + X₂≤ 20,0.

Устройство для разрушения минеральных и искусственных материалов работает следующим образом.

В соответствии с изобретением разрушающий элемент 5 изготавливают из композитного материала, содержащего карбид вольфрама (WC) с крупным размером зерен и связующее вещество, включающее кобальт (Со) и никель (Ni). При этом весовые проценты (X₁ и Х₂)содержания соответственно кобальта (Со) и никеля (Ni) в композитном материале определяют по указанными выше математическими выражениям в зависимости от необходимой твердости (Y) композитного материала. Композитный материал изготавливают любым известным способом, например, сначала смешивают карбид вольфрама (WC), кобальт (Со) и никель (Ni) с добавляемыми связующими компонентами до образования порошка с подобранным гранулометрическим составом. Затем полученный порошок прессуют, придавая ему необходимую геометрическую форму, и спекают традиционным методом порошковой металлургии до получения разрушающего элемента 5. Затем разрушающий элемент 5 закрепляют на предварительно обработанном корпусе 1, например, с помощью пайки. Для монтажа устройства на рабочем органе горной или строительно-дорожной машины державку 2 корпуса 1 размещают в гнезде держателя 3 и закрепляют ее с помощью разрезного кольца 4, которое устанавливают в соответствующую проточку на державке 2. При принудительном перемещении рабочего органа в контакт с разрушаемым материалом вступает разрушающий элемент 5, который осуществляет разрушение материала. Хотя в качестве примера выше приведена конструкция резца для горных и строительно-дорожных машин, основные положения настоящего изобретения в равной степени применимы к рабочему инструменту и других машин, осуществляющих разрушение минеральных и искусственных материалов, например, к ножам плужных снегоочистителей, к ножам бульдозеров и автогрейдеров.

Включение в композитный материал никеля (Ni) при обеспечении определенного весового процента содержания кобальта (Со) в зависимости от твердости композиционного материала позволяет повысить ударную вязкость композиционного материала при одновременном сохранении его износостойкости на заданном уровне. Указанное обстоятельство обеспечивает повышение срока службы как разрушающего элемента, так и устройства в целом, особенно при разрушении минеральных и искусственных материалов, содержащих твердые включения. Кроме того, включение никеля (Ni) в качестве одного из компонентов связующего вещества позволяет снизить стоимость разрушающего элемента и, следовательно, всего устройства в целом, поскольку стоимость разрушающего элемента составляет значительную часть стоимости всего устройства. Указанное обстоятельство вызвано тем фактом, что в композитном материале уменьшено содержание кобальта (Со), который является одним из наиболее дорогих компонентов композитного материала. Включение в композитный материал дополнительно никеля (Ni) не окажет существенного влияния на стоимость, поскольку его стоимость значительно ниже стоимости кобальта (Со).

Формула изобретения

1. Устройство для разрушения минеральных и искусственных материалов, включающее корпус и закрепленный на корпусе разрушающий элемент из композитного материала, который содержит карбид вольфрама и связующее вещество, включающее кобальт, отличающееся тем, что связующее вещество дополнительно содержит никель, при этом весовой процент содержания кобальта в композитном материале составляет не более (135,67- 1,50 Y) или не менее (159,83 - 1,75 Y), где Y - твердость композитного материала по шкале твердости А по Роквеллу.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что весовой процент (Х₂) содержания никеля в композитном материале определяется из условия X₂<(A-Y)/K-X₁, где А = 94,0 - эмпирическая константа; K₁ = 0,57÷0,67 - эмпирический коэффициент; X₁ - весовой процент содержания кобальта в композитном материале.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что суммарный весовой процент содержания кобальта и никеля в композитном материале не превышает 20,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2