Совершенствование твердого сплава для буровых работ за счет применения вакуумного спекания в сочетании с легированием карбидом тантала

Совершенствование твердого сплава для буровых работ за счет применения вакуумного спекания в сочетании с легированием карбидом тантала

П.М. Крючков

Московский государственный университет, Москва, 119899, Россия

В работе предложены способы усовершенствования твердого сплава, применяющегося для оснащения горно-бурового инструмента. Показано, что замена традиционного водородного спекания на вакуумное спекание в сочетании с легированием карбида тантала позволяет повысить предел прочности на изгиб и твердость сплавов.

1. Введение

Основными способами влияния на конечные эксплуатационные свойства твердых сплавов являются:

- варьирование зернистости составляющих фаз,

- количественное соотношение карбидной фазы и кобальтовой или другой связки,

- легирование сплавов различными добавками,

- регулирование свободного углерода в составе сплава.

Все эти способы, а также их комбинации используются при производстве твердых сплавов для бурения, ремонта дорожного покрытия, добычи камня и угля.

В отечественной промышленности для оснащения разных видов горного инструмента применяются сплавы WC-Co двухфазного состава, которые можно разделить на три группы:

- сравнительно мелкозернистые сплавы со средним размером зерна WC-фазы - 2 мкм (ВК6, ВК8, ВК15);

- среднезернистые сплавы со средним размером зерна WC-фазы -3 мкм (ВК8-ВК, ВК11-ВК);

- крупнозернистые сплавы со средним размером зерна WC-фазы -4-5 мкм (ВК4-В, ВК6-В, ВК8-В, ВК11-В).

Практика использования твердых сплавов в инструменте ударно-вращательного действия показала, что стандартные сплавы ВК8, ВК15, ВК8-ВК и др., имея недостаточную прочность и износостойкость, в ряде случаев не обеспечивают эффективного проведения бу-

ровых работ. Кроме того, уровень их технических характеристик, как правило, ниже уровня характеристик сплавов ведущих зарубежных фирм [1].

В последнее время серьезным продвижением в области совершенствования твердых сплавов для оснащения горно-бурового инструмента является получение твердых сплавов группы ВК-КС во Всероссийском научно-исследовательском институте твердых сплавов (ВНИИТС). Сплавы этой группы отличаются от стандартных марок повышенной прочностью и пластичностью, наряду с высокой износостойкостью.

Преимущество сплавов типа КС, изготовленных на основе “высокотемпературного” карбида вольфрама, по сравнению со стандартными сплавами объясняется тем, что новые варианты сплавов обладают пониженной склонностью к накоплению деформационных дефектов.

Накопление деформационных дефектов обычно приводит к снижению сопротивления сплава растягивающим нагрузкам и к его преждевременному разрушению. Можно предположить, что сплавы, более склонные к быстрому накоплению деформационных дефектов, обладают пониженным сопротивлением развитию усталостных изменений, подготавливающих разрушение сплава.

Способность сплавов к накоплению дефектов в процессе эксплуатации зависит от состава, структуры сплава, а также от условий получения исходных порошков

© Крючков П.М., 2002

вольфрама и карбида вольфрама. В сплаве, изготовленном с “низкотемпературным” карбидом вольфрама (обладающем пониженной пластичностью и большей склонностью к образованию деформационных дефектов), ухудшение прочностных свойств в процессе деформации более значительно (~ на 10 % и более), чем в сплаве с “высокотемпературным” карбидом вольфрама.

Оптимальное сочетание свойств в сплавах КС обуславливает высокую сопротивляемость их разрушению в условиях ударных нагрузок, возникающих при бурении горных пород. Создание новых сплавов группы ВК-КС позволяет конкурировать с ведущими зарубежными фирмами-производителями.

Тем не менее, постоянное совершенствование установок для проведения механических видов буровых работ, а также усложнение условий проведения буровых работ заставляет твердосплавную промышленность проводить исследования для дальнейшего улучшения свойств буровых марок твердых сплавов.

Изучение зарубежных литературных данных о составе и структуре твердых сплавов, выпускаемых ведущими фирмами США (“Carboloy”, “Kennametal”), Швеции (“Sandvik”), Германии (“Vidia Krupp”), показывает, что для оснащения горного инструмента выпускается 8-10 марок твердых сплавов (WC-Co) с содержанием кобальта 6-16 %. Структура их различна: существуют сплавы относительно мелкозернистые (dWC ~ 2 мкм), среднезернистые (d WC ~ 2.5-3.5 мкм) и крупнозернистые (d WC ~ 4 мкм) [2, 3].

В области совершенствования твердых сплавов можно выделить следующие направления.

1. Повышение технического уровня за счет новых технологических решений.

Так, фирма “Sandvik” разработала твердый сплав ДР-60. Технология (сведения о ней не приводятся) позволяет по мере необходимости повышать как прочность, так и износостойкость твердого сплава при сохранении уровня одного из названных параметров.

Возможность оптимизации прочности и износостойкости твердого сплава марки ДР-60 позволяет разрабатывать принципиально новые конструкции буровых инструментов.

Фирма “Dresser” (США) приводит сведения о повышении прочности сплавов при спекании под давлением. В частности, при спекании под давлением сплава с 6 % кобальта удалось повысить прочность при изгибе с 3 395 до 3 915 МПа.

2. Повышение эксплуатационных характеристик за счет более широкого использования сплавов, легированных танталом.

В последнее время фирмы США для армирования шарошечных долот более широко используют сплав, содержащий тантал. Исследования, проведенные на зубках, извлеченных из шарошечных долот американского

производства, обнаружили в них содержание тантала до одного процента при довольно высоком содержании кобальта -16 %. По составу, свойствам сплав соответствует сорту К92 фирмы “Kennametal” (США).

Некоторые фирмы выпускают сплавы, содержащие небольшие добавки карбидов тантала и титана или твердого раствора (Та,№)С. Так, сплавы фирмы ‘^агатапҐ’ содержат 2 % (Та,№)С, ‘^аПгата^” — 1.5-2.5 % (Та,№)С, “№«ап1оу” — 1-2 % Та, “Ш” (США) — до 0.5 % Та и до 0.2 % Ті, “Kometa” (Финляндия) — 0.3-

0.5 % Та, “Тісії” (Австрия) — 2 % ТаС и ТіС.

3. Повышение эксплуатационных характеристик за счет использования низкокобальтовых сплавов.

За рубежом широкое распространение получили штыревые коронки, армированные цилиндрическими зубками со сферической породоразрушающей вершиной. По данным фирмы “Sandvik” (Швеция) [4] для их армирования с успехом используются сплавы с 6 % кобальта (СВ15, СВ17).

В настоящей работе исследовалось влияние вакуумного спекания на свойства твердых сплавов, а также определялось оптимальное количество легирующей добавки карбида тантала.

Чтобы представить преимущества или недостатки спекания в вакууме, целесообразно рассмотреть возможные отличия процесса спекания, происходящего в вакууме и в газовой атмосфере (водороде). В соответствии с имеющимися данными о взаимодействии карбидов с кобальтом [5], можно ожидать, что процесс уплотнения при спекании в вакууме будет облегчен по сравнению со спеканием в водороде по следующим причинам.

1. Если смачиваемость данного карбида жидким кобальтом в вакууме улучшается, то следует ожидать на первичной стадии спекания (после появления жидкой фазы) более быстрой усадки и лучшего распределения жидкости среди частиц карбида.

2. Если в процессе спекания после появления в спекаемом изделии жидкой фазы выделяются газы (адсорбированные или химически связанные), то при применении вакуума условия удаления их улучшаются.

Краевой угол смачивания карбида вольфрама жидким кобальтом равен нулю, так что спекание в вакууме сплавов WC-Co, по всей видимости, не должно отличаться от спекания в водороде.

Для решения данной проблемы были проведены эксперименты по исследованию влияния вакуумного спекания на свойства сплавов с различным содержанием кобальта (ВК12-КС и ВК6-КС).

2. Методика исследований

Для проведения исследований были приготовлены смеси WC + Со с разным содержанием кобальта (массовая доля 6; 12 % ) без легирующих добавок, а также

Крючков П.М. / Физическая мезомеханика 5 4 (2002) 117-121 Физико-механические свойства сплавов ВК6-КС и ВК12-КС

Таблица 1

Условия спекания р-103, г/см3 Нс, кА/м HRA °мзг >МПа N уд-Ш4, цикл Рк -104, Н Еп,% А-107, Дж/м3 dжс, мкм

ВК6-КС

водород 14.82 8.0 88.5 2 175 0.6 10.27 2.2 7.7 3.3

вакуум 14.96 8.9 89.5 2 264 0.9 10.46 2.0 7.6 3.2

ВК12-КС

водород 14.25 4.6 86.5 2 577 6.3 5.5 5.1 17.5 4.2

вакуум 14.36 5.1 86.5-87.0 2 783 8.0 5.9 5.3 17.9 4.1

содержащие добавки карбида тантала в количестве 1; 2 и 5 мас. % по отношению к карбидной фазе сплава.

Добавка ТаС вводилась в смесь на стадии мокрого размола.

При приготовлении смесей использовали порошок карбида вольфрама с температурой получения вольфрама на первой стадии 900 °С, второй стадии — 1200 °С и температурой карбидизации 2200 °С.

Смеси готовили в лабораторных мельницах емкостью 3.5 л, футерованных твердыми пластинами, при соотношении веса шаров к весу смеси 2.5: 1. Размольными телами являлись твердосплавные шары диаметром 6 мм. Длительность размола составляла 24 часа.

Перед прессованием смеси замешивали на 4.5 % растворе каучука в бензине.

Спекание образцов проводили в две стадии: предварительное нормализующее спекание в атмосфере водорода при температуре 1150-1200 °С в графитовой засыпке с 5 % сажи, выдержка 2-2.5 часа; окончательное спекание при температуре 1390 °С (сплавы с 12 % Со) и 1420 °С (сплавы с 6 % Со) в вакуумной печи типа ‘^^егуас” в автоматическом режиме по заданной программе при вакууме 10-1-10-2 мм рт. ст. Выдержка при температуре спекания 35-40 мин. При спекании в атмосфере водорода выдержка в горячей зоне составляла 35-40 мин.

Определение плотности р сплавов методом гидростатического взвешивания, твердости по Роквеллу (НИЛ), предела прочности при поперечном изгибе (шлифованные образцы) стизг, коэрцитивной силы Нс проводили по стандартным методикам.

Определение деформационных характеристик — предела прочности при сжатии стсж, предела текучести стт, предельной пластической деформации Еп, удельной работы пластической деформации Ап, а также определение циклической долговечности при многократном ударе Nyл, критической силы при разрушении зубков Рк в условиях сжатия, коэффициента износостойкости Ки — производились по методикам ВНИИТС.

3. Результаты и обсуждение

Физико-механические свойства и характеристики микроструктуры сплавов ВК6-КС и ВК12-КС, спеченных в вакууме и по стандартной технологии, т. е. в водородной атмосфере, приведены в таблице 1.

Результаты показывают, что вакуумное спекание повышает плотность сплавов, снижает размер пор с -30 до 5-10 мкм, а также приводит к небольшому уменьшению размера зерен карбидной фазы.

Проведенные исследования показали, что в процессе вакуумного спекания увеличивается количество растворенного вольфрама в кобальтовой фазе (в сплаве ВК12-КС с 4 до 5.5 %).

Наблюдаемые изменения в микроструктуре привели к повышению циклической долговечности при многократном ударе Иуд, критической силы при разрушении зубков Рк. Изменение деформационных характеристик (величины предельной пластической деформации Еп и работы пластической деформации Ап) имеет неоднозначный характер: снижение на низкокобальтовом сплаве (ВК6-КС) и некоторое повышение в сплаве ВК12-КС, что, по-видимому, связано с одновременным влиянием дисперсности карбидной составляющей и содержанием растворенного в кобальте вольфрама.

Из результатов исследований (табл. 1) видно, что у сплавов, спеченных в вакууме, наблюдается тенденция к повышению предела прочности при поперечном изгибе. Это, по-видимому, связано с более быстрым и равномерным распределением кобальтовой фазы по объему образца. Уменьшение размера пор с 30 до 5-10 мкм также способствует повышению предела прочности при поперечном изгибе.

Увеличение твердости обуславливается, по-видимому, большей растворимостью карбида вольфрама в кобальтовой фазе. В процессе вакуумного спекания идет некоторое обезуглероживание спекаемых образцов. Обезуглероживание может произойти в результате взаимодействия с остатками воздуха в рабочем пространстве печи, с адсорбированными окисляющими газами, а

Таблица 2

Характеристика микроструктуры сплава ВК12-КС, легированного ТаС

Содержание ТаС, мас. % П, об. % С, об. % П1- фаза й жс, мкм Объем зерен 1-3 мкм, % Характеристика второй карбидной фазы (Та^)С

наличие об. %

- А 0.04 - нет 4.1 44 - -

1 А 0.04 - нет 3.4 60 в виде зерен 3-5 мкм 2

2 А 0.06 - нет 3.3 64 то же 5

5 А 0.08 - нет 3.2 70 то же 11

Таблица 3

Свойства сплава ВК12-КС, легированного ТаС

Содержание ТаС, мас. % р-103, г/см3 Нс, кА/м НИА °изг  МПа 2? Ап -107, Дж/м3 К о й,“ NУД -104. цикл к и

- 14.36 5.1 86.5-87.0 2 783 5.3 17.9 5.1 8.0 0.56

1 14.31 5.7 87.5 3 450 5.1 17.5 5.7 7.2 0.74

2 14.30 6.0 87.5 3 195 4.8 16.1 5.88 2.5 0.70

5 14.29 5.7 87.0 3 283 4.5 15.0 4.82 2.9 0.70

также вследствие восстановления имеющихся в образце окислов примесью свободного углерода и углеродом карбида. Углерод в значительной степени влияет на растворимость вольфрама в кобальте. В процессе вакуумного спекания обнаружено некоторое уменьшение размера зерен карбидной фазы, что также влияет на рост твердости сплава.

Однако значения твердости этого сплава, а следовательно, и износостойкости не достаточно высоки. Поэтому дальнейшие эксперименты были направлены на повышение износостойкости.

Известно, что повышение износостойкости может быть достигнуто путем уменьшения содержания кобальта в сплаве, однако в этом случае снижаются прочностные свойства сплава, что отрицательно сказывается на эксплуатационных показателях бурового инструмента.

Другим способом повышения износостойкости сплава является уменьшение размера зерна карбидной составляющей, что может быть достигнуто путем применения интенсивного размола смеси. Однако в процессе интенсивного размола происходит механоактивация частиц WC, частицы запасаются избыточной энергией. В результате спекания таких сплавов происходит интенсивный рост зерен WC за счет перекристаллизации через жидкую фазу, сопровождающейся увеличением роста зерен. И то, и другое обстоятельства приводят к снижению износостойкости и пластичности сплавов.

Для торможения роста зерна в процессе спекания известен способ введения в смесь при размоле некоторых карбидообразующих металлов — Та, Т^ №, Мо, V и др. Наибольшее уменьшение зерна достигается при введении VC, Сг3С2 и ТаС, что позволяет повысить твердость. Однако добавки карбидов (ТЮ, №С, Сг3С2,

VC) в ряде случаев снижают прочностные свойства сплавов. Поэтому для повышения износостойкости были проведены исследования на сплаве ВК12-КС с введением ТаС.

Действие добавок ТаС, задерживающих рост зерен WC, обуславливается адсорбцией второй карбидной фазы на поверхности зерен основной карбидной фазы, снижающей их поверхностную энергию. Адсорбированная пленка появляется в результате поверхностной диффузии атомов Та либо в начале спекания еще до появления жидкой фазы, либо в первые моменты после смачивания зерен WC жидкой фазой, содержащей ТаС (который обладает некоторой растворимостью в кобальтовой фазе). Адсорбированная пленка препятствует растворению зерен WC в жидкости и, тем самым, их росту путем перекристаллизации.

Свойства сплава ВК12-КС, легированного ТаС с использованием вакуумного спекания, приведены в таблицах 2, 3. Карбид тантала вводили в сплав на стадии мокрого размола.

Изменения в структуре приводят к изменению физико-механических свойств: повышению коэрцитивной силы Нс, твердости НИА, прочности при изгибе стизг и прочности Рк. Деформационные характеристики Еп и Ап и циклическая долговечность Nyд снижаются, хотя и незначительно. Такое снижение ЖуД не скажется на работоспособности бурового инструмента, т. к. скорее произойдет износ твердосплавной вставки, нежели ее разрушение.

Увеличение количества ТаС от 2 до 5 мас. % практически не оказывает дальнейшего значительного влияния на структуру и свойства сплава ВК12-КС. Объем фракции зерен 1-3 мкм увеличивается незначительно (с 60

до 70 %), средний размер зерен dWC остается на уровне 3.3 мкм. Увеличивается объем второй карбидной фазы. Коэрцитивная сила, твердость, прочность при сжатии практически не изменяются по сравнению со сплавом, содержащим 1 % ТаС. Прочность при изгибе при этом снижается.

Такой характер изменения свойств обусловлен уменьшением размера зерна WC-фазы, изменением свойств карбидной фазы за счет растворения WC в ТаС с образованием твердого раствора (Та, W)С, разным количеством второй карбидной фазы в сплаве и различным составом кобальтовой фазы. Вторая карбидная фаза присутствует в сплаве в виде округлых зерен размером 3-5 мкм, в отличие от зерен WC, имеющих четко выраженную огранку. Различие формы карбидных фаз обусловлено степенью кристаллографической анизотропии их поверхностной энергии стк и отношением стк /стс. Если степень кристаллографической анизотропии очень высокая и имеется хорошая смачиваемость карбида кобальтовой фазой (отношение стк/стс мало), то форма частиц ограненная, в противном случае форма частиц округлая.

4. Заключение

1. Проведенные исследования показали, что использование вакуумного спекания приводит к снижению максимального размера пор с 30 до 5-10 мкм, к небольшому уменьшению размера зерен карбидной фазы, к увеличению количества растворенного вольфрама в кобальтовой фазе.

2. Изменения в микроструктуре сплава привели к повышению прочностных характеристик сплава, в частности увеличился предел прочности при поперечном изгибе.

3. Использование в качестве легирующей добавки карбида тантала приводит к повышению твердости сплава, что, в свою очередь, сказывается на изменении износостойкости в лучшую сторону.

4. Анализ полученных данных, с учетом высокой стоимости ТаС, показывает, что наибольший эффект достигается при добавлении ТаС в количестве 1 мас. %. Большее содержание ТаС (2 и 5 мас. %) к значительному улучшению свойств не приводит.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что использование вакуумного спекания в сочетании с легированием карбидом тантала (1 мас. %) позволяет заметно повысить качество сплавов.

По результатам проделанной работы сплав с массовой долей кобальта 6 % можно рекомендовать для вращательного бурения геологоразведочных, эксплуатационных и взрывных скважин в монолитных горных породах с коэффициентом крепости f= 8. Сплав с массовой долей кобальта 12 % — для ударно-поворотного, ударно-вращательного, вращательно-ударного бурения шпуров и скважин в очень крепких породах с коэффициентом крепости до f = 20.

Литература

1. Чистякова В.А. Новые марки твердых сплавов для армирования горного инструмента // Цветная металлургия. - 1998. - № 8. -С.56-58.

2. Линдо Г.В., Чистякова В.А. Спеченные твердые сплавы для горного инструмента. Обзорная информация // Цветная металлургия. - 1990. - № 2. - С. 60.

3. World conference of powder metallurgy. - London, 1990. - P. 251256.

4. Sandvik hard materials. - 1991. - P. 25-34.

5. Третъяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - М.: Металлургия, 1976.