РЕЖУЩАЯ ПЛАСТИНА ИЛИ ГОЛОВКА ИНСТРУМЕНТА ИЗ ТВЕРДОГО СПЛАВА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ГОРНОМ ДЕЛЕ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CUTTER PLATE OR HEAD OF TOOL FOR APPLICATION IN MINING INDUSTRY AND CONSTRUCTION AND METHOD OF THEIR FABRICATION

Настоящее изобретение относится к инструментам из твердых сплавов, предпочтительно используемым для бурения/резки горной породы и минерала. Также инструменты, включающие твердые сплавы, используются для асфальта и бетона. Более конкретно, изобретение касается твердосплавных инструментов, изготовленных при помощи способа спекания, в котором есть две отдельные микроструктурные зоны, имеющие дополнительные свойства.
В твердых сплавах размер зерен так же, как и содержание фазы связующего (например, кобальта), имеют влияние на характеристики композита. Например, малый размер зерен карбида вольфрама приводит к более износостойкому материалу. Увеличение содержания кобальта обычно приводит к увеличению ударной вязкости.
Твердые сплавы, имеющие малый размер зерен, изготовлены при помощи добавления добавки, измельчающей зерна, в смесь исходного порошка. Такой твердый сплав имеет мелкий размер зерен по всей микроструктуре. Твердый сплав с крупным размером зерен изготовлен при помощи спекания без добавления добавки, измельчающей зерна, поскольку имеется склонность твердого сплава, такого как композит WC-Co, для зерен WC, которые укрупняются во время спекания. Такой твердый сплав имеет крупный размер зерен по всей микроструктуре. Как может быть оценено, эти твердые сплавы имеют однородную микроструктуру по всему инструменту из твердого сплава.
Инструмент из твердого сплава, имеющий, по крайней мере, две отдельные микроструктурные зоны, известен из уровня техники. Например, бурильные машины, имеющие буровую колонку из марки ударно-вязкого твердого сплава и покрытия из более износостойкой марки, раскрыты в европейском патенте № 951576.
Европейский патент № 194018 относится к форме для волочения проволоки, изготовленной из центрального слоя с крупнозернистыми частицами карбида вольфрама и периферийного слоя с мелкозернистыми частицами карбида вольфрама. Сначала слои имеют одинаковое содержание кобальта. После спекания крупнозернистого слоя в центре содержание кобальта снижается.
В Европейском патенте № 257869 описана головка бура для бурения твердых пород, изготовленная с износостойкой поверхностной зоной. Поверхностная зона из порошкового материала с низким содержанием кобальта и мелким размером зерен карбида вольфрама, а внутренняя зона выполнена из порошкового материала с высоким содержанием кобальта и крупным размером зерен карбида вольфрама. В данном патенте отсутствует информация о содержании кобальта в двух зонах после спекания. Однако содержание кобальта в крупнозернистой зоне понижено за счет содержания кобальта в мелкозернистой зоне. Подобная информация содержится в патенте США № 4359335.
Дополнительный вариант раскрыт в патенте США № 4743515, в котором раскрыт инструмент из твердого сплава, предпочтительно используемый для бурения породы и резки минерала. Буровая колонка выполнена из твердого сплава, содержащего η-фазу, окруженную поверхностной зоной твердого сплава, не содержащего η-фазу и имеющего низкое содержание кобальта на поверхности и более высокое содержание кобальта рядом с зоной η-фазы. Патент США № 4843039 аналогичен упомянутому патенту, но имеет отношение к режущей пластине для обработки металлов резанием.
В патенте США № 5623723 раскрыт способ изготовления инструмента из твердого сплава с износостойкой поверхностной зоной, содержащий следующие этапы: получение прессовки твердого сплава, размещение порошка измельчающей зерна добавки на, по меньшей мере, одной части наружной зоны заготовки, термическую обработку заготовки и порошка указанной добавки для перемещения добавки к центру неспеченной заготовки, таким образом формируя поверхностную и внутреннюю зоны. В результате получен инструмент из твердого сплава с поверхностной зоной, имеющей размер зерен меньше, но с содержанием кобальта, которое выше, чем во внутренней зоне инструмента. Это означает, что увеличенная износостойкость, которая получена в результате малого размера зерен карбида вольфрама, в известной мере уменьшена из-за увеличения содержания кобальта.
В связи с вышеизложенным целью настоящего изобретения является создание режущей пластины или головки из твердого сплава с поверхностной зоной с низким содержанием фазы связующего и мелким размером зерен карбида вольфрама и, таким образом, высокой износостойкостью, с напряжением сжатия в поверхностной зоне, оказывающим положительное воздействие на прочность и ударную вязкость режущей пластины или головки, и способа ее изготовления.
Согласно изобретению создана режущая пластина или головка инструмента из твердого сплава для применения в горном деле и строительстве, содержащая твердые составляющие карбида вольфрама в фазе связующего из кобальта и/или никеля и, по меньшей мере, одну поверхностную зону и внутреннюю зону, при этом размер зерен и содержание фазы связующего поверхностной зоны меньше, чем внутренней зоны, и имеется максимальное содержание связующего между поверхностной и внутренней зонами.
Содержание фазы связующего в поверхностной зоне может составлять <1, предпочтительно <0,9, наиболее предпочтительно <0,75 от содержания фазы связующего во внутренней зоне.
Содержание зерен карбида вольфрама в поверхностной зоны может составлять <1, предпочтительно <0,9, наиболее предпочтительно <0,8 от содержания зерен карбида вольфрама во внутренней зоне.
Режущая пластина или головка дополнительно может содержать хром, и содержание хрома в поверхностной зоне такое, что отношение между параметром А, равным сумме отношения весового процента хрома к весовому проценту фазы связующего и 0,01 в поверхностной зоне, и параметром В, равным сумме отношения весового процента хрома к весовому проценту фазы связующего и 0,01 во внутренней зоне, составляет А/В>1,5, предпочтительно А/В>3,0.
Поверхностная зона может иметь ширину, составляющую 0,05-0,9 от диаметра или ширины режущей пластины или головки, предпочтительно 0,1-0,5, наиболее предпочтительно 0,15-0,4.
Твердый сплав может представлять собой композицию вольфрама и связующего с номинальным содержанием фазы связующего, составляющим 4-25 мас.%, предпочтительно 5-10 мас.% и номинальным после спекания размером зерен карбида вольфрама, со среднеарифметическим размером зерен 1-15 мкм, предпочтительно 1,5-5 мкм.
Твердый сплав может содержать η-фазу.
Согласно изобретению создан способ изготовления режущей пластины или головки инструмента из твердого сплава с износоустойчивой поверхностной зоной, содержащий получение прессовки твердого сплава из одного порошка, возможное предварительное спекание прессовки и шлифовку до заданной формы и размера, размещение порошка измельчающей зерна добавки, содержащей углерод и/или азот, на, по меньшей мере, одной части подвергаемой воздействию поверхности прессованной или предварительно спеченной заготовки, спекание, обеспечивающее перемещение указанной добавки к центру заготовки с формированием внутренней зоны и поверхностной зоны с меньшим размером зерен и низким содержанием связующего по сравнению с внутренней зоной, возможное воздействие изостатическим давлением газа на заключительном этапе спекания, возможное последующее горячее изостатическое прессование при давлении, составляющем 1-100 МПа, возможную шлифовку до окончательной формы, возможное удаление нежелательных карбидов и/или графита с поверхности, используя шлифовку или любой другой механический метод.
Измельчающая зерна добавка может содержать карбид хрома, смесь хрома и углерода или другие соединения, содержащие хром, углерод и/или азот.
Далее изобретение описано со ссылками на приложенные чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 изображает график изменения твердости (HV3) и содержания кобальта (WDS-анализ) в зависимости от расстояния от поверхности, причем порошок измельчающей зерна добавки был размещен на головке для применения в горном деле согласно изобретению;
фиг.2 - график зависимости содержания хрома (WDS-анализ) от расстояния от поверхности, причем порошок измельчающей зерна добавки был размещен на головке согласно изобретению;
фиг.3а является микрофотографией, показывающей микроструктуру на расстоянии 20 мкм от поверхности, где порошок добавки, измельчающей зерна, был размещен (FEG-SEM, 2000X, режим BSE) на головке согласно изобретению;
фиг.3b - микрофотографией, показывающей микроструктуру на расстоянии 2,5 мм от поверхности, где порошок добавки, измельчающей зерна, был размещен (FEG-SEM, 2000X, режим BSE) в головке согласно изобретению;
фиг.3с - микрофотографией, показывающей микроструктуру во внутренней зоне (центре) головки (FEG-SEM, 2000X, режим BSE) согласно изобретению.
Согласно настоящему изобретению создана режущая пластина или головка инструмента из твердого сплава для применения в горном деле и строительстве, содержащая твердые составляющие карбида вольфрама в фазе связующего из кобальта и/или никеля и, по меньшей мере, одну поверхностную зону, обедненную связующим, имеющую ширину, составляющую 0,05-0,9 от диаметра или ширины режущей пластины или головки, предпочтительно 0,1-0,5, наиболее предпочтительно 0,15-0,4, и размер зерен меньший, чем во внутренней зоне, и содержание кобальта ниже, чем во внутренней зоне, что приводит к напряжениям сжатия в поверхности после спекания. Более конкретно содержание кобальта поверхностной зоны составляет <1, предпочтительно <0,9, наиболее предпочтительно <0,75 от содержания кобальта во внутренней зоне и размер зерен карбида вольфрама поверхностной зоны составяет <1, предпочтительно <0,9, наиболее предпочтительно <0,8 от размера зерен карбида вольфрама во внутренней зоне. Предпочтительно содержание хрома в поверхностной зоне такое, что отношение между параметром А, равным сумме отношения весового процента хрома к весовому проценту фазы связующего и 0,01 в поверхностной зоне, и параметром В, равным сумме отношения весового процента хрома к весовому проценту фазы связующего и 0,01 во внутренней зоне, составляет А/В>1,5, предпочтительно А/В>3,0.
Твердый сплав представляет собой композицию вольфрама и связующего с номинальным содержанием фазы связующего, составляющим 4-25 мас.%, предпочтительно 5-10 мас.% и номинальным размером зерен карбида вольфрама, со среднеарифметическим размером зерен 1-15 мкм, предпочтительно 1,5-5 мкм.
В одном варианте твердый сплав содержит η-фазу.
В другом варианте имеет место максимальное содержание связующего между мелкозернистой и крупнозернистой зонами.
Настоящее изобретение также относится к способу изготовления режущей пластины/головки из твердого сплава с износостойкой поверхностной зоной, включающему следующие этапы.
Согласно изобретению создан способ изготовления режущей пластины или головки из твердого сплава с износоустойчивой поверхностной зоной, содержащий получение прессовки твердого сплава из одного порошка, возможное предварительное спекание прессовки и шлифовку до заданной формы и размера, размещение порошка измельчающей зерна добавки, содержащей углерод и/или азот на, по меньшей мере, одной части подвергаемой воздействию поверхности прессованной или предварительно спеченной заготовки, спекание, обеспечивающее перемещение указанной добавки к центру заготовки с формированием внутренней зоны и поверхностной зоны с меньшим размером зерен и низким содержанием связующего по сравнению с внутренней зоной, возможное воздействие изостатическим давлением газа на заключительном этапе спекания, возможное последующее горячее изостатическое прессование при давлении, составляющем 1-100 МПа, возможную шлифовку до окончательной формы, возможное удаление нежелательных карбидов и/или графита с поверхности, используя шлифовку или любой другой механический метод.
Спекание выполняют в течение возможного короткого времени для получения плотного керамического материала с поверхностной зоной с малым размером зерен и более низким содержанием кобальта, чем во внутренней зоны.
Номинальное содержание углерода в прессовке из твердого сплава должно быть определено из соображений влияния углерода из применяемой измельчающей зерна добавки. Также могут использоваться прессовки, которые бы привели к η-фазе, содержащейся в микроструктуре. Спекание должно быть выполнено в течение возможного короткого времени для получения желаемой структуры и режущей пластины или головки с закрытой пористостью, предпочтительно плотной режущей пластины или головки. Это время зависит от размера зерен карбида вольфрама и композиции твердого сплава и, следовательно, не может быть точно определено. В компетенции специалиста в данной области техники было определить, была ли получена необходимая структура, и изменять условия спекания в соответствии с настоящим описанием. В случае необходимости режущая пластина или головка может быть подвергнуто последующему горячему изостатическому прессованию при давлении 2-100 МПа.
В качестве альтернативы, измельчающая зерна добавка или порошок карбида хрома могут быть размещены на предварительно спеченной заготовке, которая впоследствии подвергается термической обработке для получения желаемой структуры при температуре выше, чем температура предварительного спекания.
Пример 1
3
2
3
2
3
2
2
Прессовки из твердого сплава были изготовлены согласно следующему. Цилиндрические неспеченные прессовки были подвергнуты прессованию (диаметр 12 мм) из порошка с композицией: 94 мас.% карбида вольфрама и 6 мас.% кобальта. Исходное сырье карбида вольфрама было относительно крупнозернистым со средним размером зерен 3,0 мкм (FSSS). Все поверхности были покрыты СRС, содержащим тонкий слой (0,02 г СRС/см). Затем прессовки были спечены при 1350°С в течение 30 минут. В течение последних 15 минут спекания было применено изостатическое давление газа в 10 МПа для получения плотного материала. Было исследовано поперечное сечение спеченной головки. На поверхности не было замечено СRС.
3
2
Фиг.1 показывает график твердости и содержание кобальта в зависимости от расстояния к предварительно покрытой поверхности СRС. Содержание кобальта самое низкое ближе к поверхности, увеличивается с увеличением расстояния до максимального значения и затем снова уменьшается. Твердость является самой высокой ближе к поверхности, уменьшается с расстоянием до минимального значения и затем снова увеличивается к центру.
3
2
Фиг.2 показывает график содержания хрома в зависимости от расстояния к предварительно покрытой поверхности СRС. Содержание хрома самое высокое ближе к поверхности и уменьшается с расстоянием.
3
2
3
2
3
2
Фиг.3а - микрофотография, показывающающая микроструктуру на расстоянии 20 мкм от предварительно покрытой поверхности СRС (FEG-SEM, 2000X, режим BSE). Фиг.3b - микрофотография, показывая микроструктуру на расстоянии 2,5 мм от предварительно покрытой поверхности СRС (FEG-SEM, 2000X, режим BSE). Фиг.3с - микрофотография, показывающая микроструктуру во внутренней зоны (6 мм от предварительно покрытой поверхности СRС) головки (FEG-SEM, 2000X, режим BSE).
В нижеприведенной таблице 1 представлены размеры зерен карбида вольфрама, которые были измерены как среднеарифметическая величина размеров зерен.
Таблица 1
Расстояние от поверхности
Средний размер зерен (мкм)
20 мкм
1,5
2,5 мм
1,8
6,0 мм
1,8