ИЗНОСОСТОЙКИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С ЭВТЕКТИЧЕСКИМ ИНФИЛЬТРАНТОМ
WEAR-RESISTANT COMPOSITE MATERIAL WITH EUTECTIC INFILTRATE

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к композиционным материалам для вставок буровых шарошечных долот.
Материал композиционного сплава, применяемого для буровых долот, должен обладать высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, структурной однородностью и эти его свойства должны обязательно сочетаться с достаточной пластичностью. Кроме того, буровые долота должны обладать достаточной жаростойкостью, поскольку температура рабочей области бурового долота достигает температуры 600°С и недостаточная жаростойкость сплавов приводит к быстрому разрушению деталей под действием высоких температур и динамических напряжений.
Известен композиционный материал, содержащий тугоплавкие соединения переходных металлов с углеродом, а именно карбиды кремния и бора, а также металл-связку А1, вводимый методом инфильтрации. При этом способе достигается повышение структурной плотности изделия [Патент США №5574954; МПК С22С 1/05, С22С 29/10, С22С 29/06, B22F 003/00; опубл. 4.05.1992].
Недостатком указанного изобретения является применение чистого металла в качестве инфильтранта. Свойства чистых металлов, в отличие от сплавов, невозможно изменить, поэтому при таком составе инфильтранта будет получен композиционный материал со строго определенными характеристиками, которыми невозможно управлять. Кроме того, использование в качестве инфильтранта алюминия, обладающего низкими физико-механическими свойствами, не позволяет достичь высокой износостойкости материала.
Известен композиционный материал, содержащий в качестве каркаса карбид вольфрама и в качестве инфильтранта - сталь 110Г13 [Н.Л.Савченко, С.Ф.Гнюсов, С.Н.Кульков. Особенности высокоскоростного изнашивания композиционного материала WC-сталь 110Г13 в контакте с литой инструментальной сталью // Трение и износ. - 2009 - №1, с.64-71].
Композиционный материал, содержащий в качестве каркаса карбид вольфрама WC и в качестве инфильтранта сталь 110Г13, обладает высокими механическими свойствами. Применение в качестве инфильтранта сплава позволяет управлять свойствами композиционного материала, изменяя химический состав инфильтранта. За счет этого достигается повышение механических свойств.
Недостатком данного материала является то, что в них применяется инфильтрант неэвтектического состава. При использовании такого инфильтранта в композиционном материале будет наблюдаться высокая дендритная пористость. Это связано с тем, что сплавы неэвтектического состава затвердевают в интервале температур, поэтому после образования дендритной структуры часть сплава в междуосных пространствах еще находится в жидкой фазе. При ее затвердевании, в связи с затрудненностью питания этих областей, в отливке возникают поры.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является композиционный материал, содержащий в качестве каркаса карбид вольфрама и в качестве инфильтранта - сплав, содержащий 8... 12% Co+Ni при соотношении Co/Ni 0.25…0.4, 1…2% Сr, 0.1…0.3% Мо с размером зерен WC<1 мкм [Патент США №6878181; МПК С22С 29/06, С22С 29/08; опубл. 4.12.2005].
Недостатком этого материала является то, что сплавы на основе карбида вольфрама при возникновении высоких температур выходят из строя из-за окисления карбида вольфрама WC. Они могут работать лишь до температур 400-500°С. [Р.Киффер, П.Шварцкопф. Твердые сплавы. - М.: 1987 г.; Якоб Кюбарсепп. Твердые сплавы со стальной связкой. - Таллинн: Валгус - ТТУ, 1991 г.]. Также применение инфильтранта в виде сплава неэвтектического состава не позволяет достичь необходимой высокой структурной плотности, так как такой сплав при затвердевании образует дендритную пористость.
Таким образом, применение в качестве инфильтранта чистого металла позволяет избежать дендритной пористости, но не позволяет управлять свойствами композиционного материала. Применение в качестве инфильтранта стали позволяет регулировать характеристики композиционного материала, но в связи с тем, что сплав имеет неэвтектический состав, в композиционном материале образуется дендритная пористость, что приводит к уменьшению износостойкости.
Задачей настоящего изобретения является повышение износостойкости композиционных материалов за счет применения в качестве инфильтранта эвтектических сплавов.
Поставленная задача решается созданием композиционного материала для буровых долот, содержащего в качестве каркаса тугоплавкое соединение и инфильтрант. Согласно изобретению в качестве инфильтранта используется сплав эвтектического состава.
При этом в качестве каркаса сплава предлагается карбид титана TiC, в качестве инфильтранта - эвтектический сплав на основе никеля с малым краевым углом смачивания менее 90°, содержащий
Со - 12…20%,
Сr - 17…20%,
Аl - 9,5…10,5%,
Ni - остальное.
Существуют 3 метода повышения свойств композиционных сплавов:
Изменение технологии изготовления комопзиционного материала.
Легирование, либо изменение, инфильтранта композиционного материала.
Легирование, либо изменение, каркаса композиционного материала. Перспективным методом получения композиционных материалов является метод инфильтрации порошковой формовки.
Сущность метода инфильтрации заключается в следующем: из порошка более тугоплавкого компонента формируют пористый каркас, а затем заполняют его пустоты расплавленным более легкоплавким компонентом. При этом тугоплавкий компонент выступает в роли армирующей фазы.
Применение метода инфильтрации для изготовления композиционных сплавов для буровых долот позволяет повысить их износостойкость, т.к. за счет более полного по сравнению с методом спекания заполнения формовки инфильтрантом достигается высокая структурная плотность материала.
Композиционные материалы, пропитанные эвтектическим сплавом инфильтрантом, обладают рядом преимуществ перед используемыми в настоящее время промышленными сплавами:
Обладают более высокой плотностью,
Обладают направлено ориентированной структурой,
Имеют более высокие механические свойства,
Лучше сопротивляются выкрашиванию твердых дисперсных частиц.
Все эти факторы спосбствуют повышению износостойкости композиционного материала для буровых долот.
Износостойкость композиционного материала во многом определяется его твердостью [Хрущев М.М., Бабичев М.А. Исследование изнашивания металлов.- М.: Изд. АИ СССР, 1966], поэтому применение в качестве каркаса более твердых, чем используемый в настоящее время карбид вольфрама WC, позволит также повысить износостойкость. При этом для обеспечения заполнения каркаса сплавом инфильтрантом и получения высокой структурной плотности композита необходимо, чтобы инфильтрант обладал краевым углом смачивания менее 90°.
Пример 1. В качестве каркаса сплава предлагается карбид титана TiC, в качестве инфильтранта - эвтектический сплав на основе никеля, имеющий малый краевой угол смачивания, содержащий
Со - 12…20%,
Сr - 17…20%,
Аl - 9,5…10,5%,
Ni - остальное.
Для проведения испытаний заявляемого композиционного материала были изготовлены образцы. Для этого изготовили оболочковую форму по точной выплавляемой модели образцов нанесением на нее огнеупорных слоев путем окунания ее в огнеупорную суспензию, обсыпки электрокорундом, погружением в «псевдокипящий» слой электрокорундового песка с последующей вакуумно-аммиачной или воздушно-аммиачной сушкой каждого слоя. После нанесения 8 слоев покрытия и сушки оболочки модель из нее удалили, оболочковую форму прокалили в камерной печи в течение 8 ч при температуре 950±10°С.
В подготовленную форму засыпали порошок карбида титана фракции 10…63 мкм в количестве 0,55 кг без добавления пластификатора. Форму закрепили на вибростоле и порошок уплотнили вибрацией с частотой колебаний 30 Гц и их амплитудой 0,5…1,0 мм. В результате получили формовку пористостью 45±5% и средним размером пор 30±5 мкм. После этого формовку сверху закрывали и фиксировали крышкой 3, имеющей сквозные отверстия 4 диаметром 3 мм. Крышку получали по известной технологии шликерного литья из окиси алюминия путем спекания при температуре 1350±10°С. На эту крышку помещали кусочки сплава инфильтранта заявляемого состава массой 0,60 кг и с размерами от 5 до 15 мм. Масса металла во всех случаях бралась с некоторым избытком для гарантированного заполнения всего объема пор карбидной формовки.
Процесс инфильтрации вели в вакуумной электропечи модели ОКБ-8086, контроль температуры осуществляли вольфрам-вольфрамрениевой термопарой. Подготовленную форму с порошком карбида титана поместили в камеру электропечи, ее герметизировали и после достижения в ней остаточного давления не более 1 Па включали нагрев. Форму нагревали до температуры 1500±10°С, выдерживали при этой температуре 0,5 часа для полной инфильтрации формовки, после чего ее охлаждали при выключенном нагреве.
В результате получали беспористые образцы из композиционного материала на основе карбида титана с эвтектическим составом заявляемого состава. Образцы извлекали из формы путем разрушения последней.
отн
Сравнение износостойкости и твердости предлагаемого композиционного материала с используемым в настоящее время композиционным материалом приведено в таблице 1. I - относительная износостойкость композиционного материала.
Таблица 1
Сплав
WC, %
Fe, %
C, %
Si, %
Мn, %
TiC, %
Сr, %
Аl,%
Ni, %
Со, %
HRA
I<sub>отн</sub>
Прототип
70
15,2
1,2
0,6
13
-
-
-
-
-
83.8
325,2
Заявляемый
-
-
-
-
-
94
1,0
0,4
3,7
0,7
90,1
340,1
Заявляемый
-
-
-
-
-
94
1Д
0,4
3,5
1,0
90,4
342,0
Заявляемый
-
-
-
-
-
94
1,2
0,4
3
1,2
90,8
343,2
Из таблицы 1 видно, что заявляемый композиционный материал превосходит по износостойкости и твердости используемый в настоящее время материал с каркасом из карбида вольфрама WC и инфильтрантом из стали 110Г13.