Изобретение относится к твердому композитному соединению, содержащему металлическую матрицу и один или несколько разделенных твердых элементов, удерживаемых в ней, в котором твердое композитное соединение может быть полезно как режущий инструмент или изнашиваемый элемент конструкции. Точнее изобретение имеет отношение к алмазному композитному соединению, содержащему матрицу, составленную из макрочастиц на основе карбида, связанных вместе посредством пропитывающего металла с одним или более отдельными элементами на основе алмаза, удерживаемых в матрице. Должно быть понятно, что основанный на алмазе элемент мог бы содержать композитное соединение с отдельными алмазами или поликристаллическое алмазное композитное соединение, имеющее подложку со слоем поликристаллического алмаза на ней. Некоторые типы карбида вольфрама, которые являются подходящими для использования в матричных инструментах, включают макрокристаллический карбид вольфрама, дробленый спеченный сцементированный макрокристаллический карбид вольфрама, имеющий связующий металл, и дробленый литой карбид вольфрама.
Что касается макрокристаллического карбида вольфрама, этот материал является по существу стехиометрическим WC (карбид вольфрама), который существует, главным образом, в форме отдельных кристаллов. Некоторые большие кристаллы макрокристаллического карбида вольфрама являются бикристаллами. Патент США N 3379503, заявленный McKenna под названием "Процесс приготовления монокарбида вольфрама", определенный как прототип описания настоящего патента, раскрывает способ изготовления макрокристаллического карбида вольфрама. Патент США N 4834963, заявленный Terry с соавт., под названием "Порошок макрокристаллического монокарбида вольфрама и процесс для его производства", определенный как прототип описания настоящего патента, также раскрывает способ изготовления макрокристаллического карбида вольфрама.
Что касается дробленого спеченного сцементированного макрокристаллического вольфрама, этот материал содержит маленькие частицы карбида вольфрама, связанные вместе в металлической матрице. Для такого материала, который используется в этом описании патента, дробленый спеченный сцементированный макрокристаллический карбид вольфрама со связующим веществом (кобальтом или никелем) изготавливается смешиванием вместе частиц WC, порошка Co или Ni и смазочного материала (смазки). Эта смесь гранулируется, спекается, охлаждается и затем дробится. Гранулирование не использует давление, но вместо этого, во время смешивания частиц WC и кобальта, лопасти миксера (смесителя) заставляют смесь WC и кобальта (или никеля) скатываться в гранулы.
Что касается дробленого литого карбида вольфрама, вольфрам образует два карбида, а именно WC и W2C. Между ними может быть непрерывный ряд промежуточных составов. Эвтектическая смесь содержит приблизительно 4.5 весовых процентов углерода. Литой карбид вольфрама, который коммерчески используется как матричный порошок, обычно имеет доэвтектическое содержание углерода, приблизительно 4 весовых процента. Литой карбид вольфрама обычно застывает из расплавленного состояния и измельчается до желательного размера частиц.
Известны твердые композитные соединения, содержащие матрицу и удерживаемые в ней отдельные твердые элементы. В типичном случае матрица содержит макрочастицы на основе карбида, связанные вместе пропитывающим металлом, и твердые элементы, содержащие материалы, основанные на алмазе.
Что касается макрочастиц на основе карбида, один образец компонента на основе карбида содержит приблизительно 67.10 весовых процентов макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего следующее распределение размеров частиц: от 18.0 до 22.0 весовых процентов макрокристаллических частиц карбида вольфрама имеют размер - 80 + 120 меш. (размер меш. - устанавливается в соответствии со стандартом Е-11-70 ASTM (Американское общество испытания материалов), и в данном случае соответствует размеру больше 125 микрометров и меньше или равному 177 микрометрам), от 25.0 до 30.0 весовых процентов макрокристаллических частиц карбида вольфрама имеют размер -120 + 170 меш. (больше 88 микрометров и меньше или равный 125 микрометрам), от 29.0 весовых процентов до 33.0 весовых процентов макрокристаллических частиц карбида вольфрама имеют размер - 170 + 230 меш. (больше 63 микрометров и меньше или равный 88 микрометрам), от 18 весовых процентов до 22.0 весовых процентов макрокристаллических частиц карбида вольфрама имеют размер - 230 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равный 63 микрометрам), и до 5.0 весовых процента макрокристаллических частиц карбида вольфрама имеют размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам). Матрица далее содержит приблизительно 30.90 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама, имеющего размер - 325 (меньше или равный 44 микрометрам), 1.00 весовой процент железа, имеющего средний диаметр частиц между 3 микрометрами и 5 микрометрами, и 1,00 весовой процент стали сорта 4600, имеющей размер частиц - 325 (меньше или равный 44 микрометрам).
Сталь сорта 4600 имеет следующий номинальный состав (весовых процентов): 1.57 весовых процентов никеля; 0.38 весовых процентов марганца; 0.32 весовых процентов кремния; 0,29 весовых процентов молибдена; 0.06 весовых процентов углерода; и остальное - железо.
Другой образец компонента на основе карбида содержит приблизительно 65 весовых процентов макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер частиц - 80 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равный 177 микрометрам), 27,6 весовых процентов прута из карбида вольфрама, размолотого до среднего размера частиц от 4 до 6 микрометров с удаленными мелкодисперсными частицами, 2.8 весовых процентов вольфрама, имеющего размер частиц - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам), 2,8 весовых процентов стали сорта 4600, имеющей размер частиц - 140 меш. (меньше или равный 105 микрометрам), и 1.8 весовых процентов железа, имеющего размер частиц - 325 (меньше или равный 44 микрометрам).
Другой образец компонента макрочастиц на основе карбида содержит 68 весовых процентов макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер (частиц) - 80 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равный 177 микрометрам); 15 весовых процентов макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер (частиц) - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам); 15 весовых процентов дробленого литого карбида вольфрама, имеющего размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам); и 2 весовых процента никеля. Имеющего размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам). Этот никель представляет собой INCO типа 123 от Международной Никелевой Компании и представляет собой единственный в своем роде (особенный) прокрытый шипами (остриями) порошок правильной формы. Химический анализ и физические характеристики, доступные из коммерческой литературы, выявляют следующее: химический анализ показывает состав: максимум 0.1 углерода, максимум 0.15 кислорода, максимум 0.001 серы, максимум 0.01 железа, и остальное - никель. Средний размер частиц составляет 3 - 7 микрометров (размер отверстий "рыболовного сита"), объемная плотность 1.8 - 2.7 грамм/см3, и удельная площадь поверхности составляет 0.34 - 0.44 м2/г.
Другой образец компонента макрочастиц на основе карбида содержит 64 весовых процентов макрокристалличского карбида вольфрама, имеющего размер (частиц) - 80 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равный 177 микрометрам); 14 весовых процентов макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам); 14 весовых процентов дробленого литого карбида вольфрама, имеющего размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам); 8 весовых процентов никеля, имеющего размер - 200 меш. (меньше или равный 74 микрометрам).
Еще один образец компонента макрочастиц содержит 67.0 весовых процентов дробленого литого карбида вольфрама, имеющего следующее распределение размеров частиц: от 18.0 до 22.0 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама имеют размер - 80 + 120 меш. (больше 125 микрометров и меньше или равный 177 микрометрам), от 25.0 до 30.0 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама имеют размер - 120 + 170 меш. (больше 88 микрометров и меньше или равный 125 микрометрам), от 29.0 весовых процентов до 33.0 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама имеют размер 170 + 230 меш. (больше 63 микрометров и меньше или равный 88 микрометрам), от 18.0 весовых процентов и до 22.0 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама имеют размер - 230+ 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равный 63 микрометрам), и до 5.0 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама имеют размер - 325 меш. (меньший или равный 44 микрометрам). Компонент далее имеет 31.0 весовых процентов дробленого литого карбида вольфрама, имеющего размер частиц - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам), 1.0 весовой процент железа, имеющего размер частиц - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам), и 1.0 весовых процентов стали 4600, имеющий размер частиц - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам).
Один образец подходящего пропитывающего материала содержит 63 - 67 весовых процентов меди, 14 - 16 весовых процентов никеля и 19-21 весовых процентов цинка. Этот материал имеет удельную плотность 8.5 грамм/см3 и имеет точку плавления 866,5 К (593oC, 1100oF). Этот пропитывающий материал используется в гранулах размером 0,08 см х 0,8 см (1/32 дюйма Х 5/16 дюйма). Этот сплав идентифицируется представителем (прототипом) заявителей как MACROFIL 65, и это обозначение будет использоваться в настоящем описании.
Другой образец подходящего пропитывающего материала имеет номинальный состав 52.7 весовых процентов меди, 24.0 весовых процентов марганца, 15.0 весовых процентов никеля, 8.0 весовых процентов цинка, 15 весовых процентов бора, и 15 весовых процентов кремния со следами (очень малым количеством) свинца, олова и железа. Этот пропитывающий материал продается фирмой Belmont Metal Inc., улица Belmont (Avenue) 330, Бруклин, Нью-Йорк 11207, под названием "VIRGIN binder (связующее вещество) 4537D" в виде брусков размером 2,54 см х 1,27 см х 1,27 см (1 дюйм х 1/2 дюйма х 1/2 дюйма). Этот сплав идентифицируется представителем (прототипом) заявителей как MACROFIL 53, и это обозначение будет использоваться в настоящем описании.
Хотя эти известные матрицы для твердого композитного соединения используются удовлетворительным образом, было бы желательно обеспечить улучшенную матрицу для твердого композитного соединения, имеющего улучшенные свойства. Эти свойства включают ударопрочность (ударную вязкость), прочность на поперечный разрыв (усилие на разрыв), твердость, сопротивление (стойкость) абразивному износу и сопротивление эрозии. Было бы также желательно обеспечить улучшенное твердое композитное соединение, которое использует улучшенный материал матрицы. Далее, еще бы желательно обеспечить деталь (элемент конструкции) инструмента, которая включает стержень инструмента с прикрепленным к нему улучшенным твердым композитным соединением, в таком случае деталь инструмента могла бы использоваться, например, в связи с буровой головкой нефтяной скважины.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечить улучшенный матричный порошок для твердого композитного соединения, содержащего один или несколько отдельных твердых элементов, удерживаемых в матрице, составленной из макрочастиц на основе карбида, связанных вместе пропитывающим металлом, в котором матрица имеет улучшенные в целом свойства. Предполагается, что твердое композитное соединение могло бы использоваться в применениях, связанных с резанием и бурением, и что матричный порошок и пропитывающий материал без твердого элемента могли бы использоваться в применениях, связанных с износом (инструментов).
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечить улучшенное твердое композитное соединение, содержащее множество отдельных твердых элементов, типа алмаза или элементов поликристаллических алмазных соединений, удерживаемых в матрице, составленной из макрочастиц на основе карбида, связанных вместе пропитывающим металлом, которое имело бы улучшенную ударопрочность.
Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечить улучшенное твердое композитное соединение, содержащее множество отдельных твердых элементов, типа алмаза или элементов поликристаллических алмазных соединений, удерживаемых в матрице, составленной из макрочастиц на основе карбида, связанных вместе пропитывающим металлом, которое имело бы улучшенную прочность на разрыв.
Задачей настоящего изобретения является обеспечить улучшенное твердое композитное соединение, содержащее множество твердых элементов, таких как алмаз или элементы поликристаллических алмазных соединений, удерживаемых в матрице, составленной из макрочастиц на основе карбида, связанных вместе пропитывающим металлом, которое имело бы улучшенную твердость.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечить улучшенное твердое композитное соединение, содержащее множество отдельных твердых элементов, таких как алмаз или элементы поликристаллических алмазных соединений, удерживаемых в матрице, составленной из макрочастиц на основе карбида, связанных вместе пропитывающим металлом, которое имело бы улучшенные свойства сопротивления эрозии.
В одном из вариантов изобретение представляет собой матричный порошок для формирования в матрицу вместе с пропитывающим материалом. Матричный порошок содержит частицы дробленого спеченного сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама, имеющие размер - 80 + 400 меш. (больше 37 микрометров и меньше или равный 177 микрометрам). Состав дробленого спеченного сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама содержит приблизительно от 5 весовых процентов до 20 весовых процентов связующего металла и приблизительно от 80 весовых процентов до 95 весовых процентов карбида вольфрама.
В другом из вариантов изобретение представляет собой алмазную составную деталь, которая включает опору и алмазное композитное соединение, прикрепленное к опоре. Алмазное композитное соединение содержит матрицу, которая включает массу частиц, удерживаемых вместе пропитывающим материалом. Масса частиц образована нагреванием порошковой смеси в присутствии пропитывающего материала. Порошковая смесь содержит частицы дробленого спеченного сцементированного карбида вольфрама, имеющие размер - 80 + 400 меш. (больше 37 микрометров и меньше или равный 177 микрометрам). Состав дробленого спеченного сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама содержит приблизительно от 5 весовых процентов до 20 весовых процентов связующего металла и приблизительно от 80 весовых процентов до 95 весовых процентов карбида вольфрама.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых;
фиг. 1 изображает схематический вид сборки, используемой для изготовления изделия, содержащего стержень инструмента с отдельными алмазами, прикрепленный к нему в одном варианте воплощения, и
фиг. 2 изображает схематический вид сборки, используемой для изготовления изделия, содержащего стержень инструмента с (элементами) композиционного соединения на основе алмаза, прикрепленными к нему в другом варианте воплощения, и
фиг. 3 изображает общий вид буровой головки инструмента, которую охватывает настоящее изобретение.
Подробное описание конкретных вариантов воплощения
Фиг. 1 иллюстрирует схематический вид сборки, используемой для изготовления изделия, используя алмаз как часть настоящего изобретения. Типичное изделие представляет собой буровую головку. Как станет очевидным, буровая головка имеет стержень. Режущие элементы, такие как отдельные алмазы, прикрепляются к буровой головке посредством металлической матрицы. Хотя способ, которым стержень прикрепляется на буровой трос (канат), может варьироваться, один общий способ состоит в том, чтобы обеспечить резьбу на стержне так, чтобы стержень винтообразно вводился в нарезное отверстие в буровом тросе. Другой путь состоит в том, чтобы приварить стержень к буровому тросу.
Производственная сборка включает форму из углерода (угля) типа графита,- в целом обозначенную позицией 10, имеющую стенку основания 12 и вертикальную стенку 14. Форма 10 задает внутренний объем. Устройство далее включает верхнюю деталь 16, которая подгоняется к верхнему отверстию (проему) формы 10. Должно быть понятно, что использование верхней детали 16 - это дополнение, зависящее от желаемой степени управления атмосферным давлением.
Стальной стержень 24 помещается внутрь формы прежде, чем туда насыпается порошок. Часть стального стержня 24 находится внутри порошковой смеси 22, а другая часть стального стержня 24 - вне смеси 22. Стержень 24 имеет на одном конце резьбу 25 и на другом конце пазы 25А.
Что касается содержимого формы, имеется множество отдельных алмазов 20, помещенных в выбранных положениях внутри формы так, чтобы оказаться в выбранных положениях на поверхности готового изделия. Порошок матрицы 22 представляет собой порошок на основе карбида, который насыпают в форму 10, чтобы он вплотную касался алмазов 20. Состав порошка матрицы 22 будет приведен в дальнейшем.
Как только алмазы 20 установлены и матричный порошок 22 засыпан в форму, пропитывающий сплав 26 помещается вплотную к порошковой смеси 22 в форме 10. Затем на форму кладется крышка 16, и форма помещается в печь и нагревается приблизительно до 1478 K (2200oF, (1177oC, точнее 1204oC) так, чтобы пропитывающий материал 26 плавился и пропитывал порошковую массу. Результат представляет собой конечное изделие, в котором пропитывающий материал связывает (скрепляет) порошок вместе, матрица удерживает там алмазы, и композиционное соединение прикрепляется к стальному стержню.
Фиг. 2 иллюстрирует схематический вид сборки, используемой для изготовления второго типа изделия, используя композиционный материал на основе алмаза как часть настоящего изобретения. Сборка включает форму из углерода типа графита, в целом обозначенную позицией 30, имеющую стенку 32 и вертикальную стенку 34. Форма 30 задает внутренний объем. Сборка далее включает верхнюю деталь 36, которая подгоняется к входному отверстию формы 30. Должно быть понятно, что использование верхней детали 36 - это дополнение, зависящее от желаемой степени управления атмосферным давлением.
Стальной стержень 42 помещается внутрь формы прежде, чем туда насыпается порошковая смесь. Часть стального стержня 42 находится внутри порошковой смеси 40, а другая часть стального стержня 42 - вне смеси. Стержень 42 имеет на конце пазы 43, которые находятся внутри порошковой смеси.
Что касается содержимого формы 30, имеется множество углеродных (графитовых) заготовок 38, помещенных в выбранные положения внутри формы так, чтобы оказаться в выбранных положениях на поверхности готового изделия. Порошок матрицы 40 представляет собой порошок на основе карбида, который насыпают в форму 30, чтобы он вплотную касался углеродных (графитовых) заготовок 38. Состав порошка матрицы 40 будет приводиться в дальнейшем.
Как только углеродные (графитовые) заготовки 40 установлены и порошок матрицы 40 засыпан в форму 30, пропитывающий сплав 44 помещается вплотную к порошковой смеси в форме. Затем крышка 36 кладется на форму, и форма помещается в печь и нагревается приблизительно до 1478 K (2200oF, 1204oC) так, чтобы пропитывающий материал плавился и пропитывал порошковую массу. Результат представляет собой промежуточное изделие, в котором пропитывающий материал связывает (скрепляет) порошок вместе, также прикрепляя порошковую массу к стальному стержню, и композиционный материал прикрепляется к стальному стержню, и углеродные, (графитовые) заготовки определяют (образуют) выемки на поверхности пропитанной массы.
Углеродные (графитовые) заготовки удаляются из скрепленной массы, и в выемки впаиваются вставки из композитного материала на основе алмаза, имеющие форму, подобную форме углеродной (графитовой) заготовки, чтобы сформировать конечное изделие. Обычно буровые головки имеют слой отдельных алмазов по поверхности.
Фиг. 3 иллюстрирует часть инструмента, в целом обозначенного позицией 50. Инструмент 50 имеет внешнюю поверхность, к которой прикрепляются отдельные алмазные элементы 52.
Сравнительные образцы
Были сделаны и испытаны следующие сравнительные образцы, и далее представлены результаты этих испытаний.
Сравнительный образец А содержит порошковую матричную смесь, имеющую следующий состав и распределение размеров: приблизительно 67.10 весовых процентов составляет макрокристаллический карбид вольфрама, имеющий следующее распределение размеров: от 18.0 до 22.0 весовых процентов макрокристаллических частиц карбида вольфрама имеют размер - 80 + 120 меш. (больше 125 микрометров и меньше или равный 177 микрометрам), от 25.0 до 30.0 весовых процентов макрокристаллических частиц карбида вольфрама имеют размер - 120 + 170 меш. (больше 88 микрометров и меньше или равный 125 микрометрам), от 29,0 весовых процентов и до 33.0 весовых процентов макрокристаллических частиц карбида вольфрама имеют размер -170 + 230 меш. (больше 63 микрометров и меньше или равный 88 микрометрам), от 18 весовых процентов до 22.0 весовых процентов макрокристаллических частиц карбида вольфрама имеют размер - 230 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равный 63 микрометрам), и до 5.0 весовых процентов макрокристаллических частиц вольфрама имеет размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам). Матрица далее содержит приблизительно 30.9 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама, имеющих размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам), 1.00 весовой процент железа, имеющего средний диаметр частиц между 3 микрометрами и 5 микрометрами, и 1.00 весовой процент стали сорта 4600, имеющий размер частиц - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам). Сталь сорта 4600 имеет следующий номинальный состав (весовых процентов): 1.57 весовых процентов никеля; 0,38 весовых процентов марганца; 0.32 весовых процентов кремния; 0.29 весовых процентов молибдена; 0.06 весовых процентов углерода; и остальное - железо.
Пропитывающим материалом был MACROFIL 53. Состав MACROFIL 53 определен ранее. Эта порошковая смесь помещалась в форму вместе с пропитывающим материалом MACROFIL 53 и нагревалась приблизительно до 1478 K (2200oF, 1204oC) до тех пор, пока пропитывающий материал достаточно не пропитал порошковую массу так, чтобы связать ее вместе. Затем массе давали охладиться.
Сравнительный образец Б содержит порошковую матричную смесь, имеющую следующий состав и распределение размеров: около 68 весовых процентов макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер (частиц) - 80 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равный 177 микрометрам); 15 весовых процентов макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам); 15 весовых процентов дробленого литого карбида вольфрама, имеющего размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам); и 2 весовых процентов никеля, имеющего размер -325 меш.(меньше или равный 44 микрометрам). Этот никель представляет собой никель INCO типа 123, от Международной Никелевой Компании, и представляет собой единственный (особенный) покрытый шипами порошок правильной формы. Химический анализ и физические характеристики, доступные из коммерческой литературы, выявляют следующее: химический анализ показывает состав из: максимум 0.1 углерода, максимум 0.15 кислорода, максимум 0,001 серы, максимум 0.01 железа; и остальное - никель. Средний размер частицы составляет 3 - 7 микрометров (размер отверстий "рыболовного сита"), объемная плотность 1.8 - 2.7 грамм/см3, и удельная площадь поверхности составляет 0.34 - 0.44 м2/г.
Пропитывающим материалом был MACROFIL 53. Состав MACROFIL 53 определен ранее. Эта порошковая смесь помещалась в форму вместе с пропитывающим материалом MACROEIL 53 и нагревалась приблизительно до 1478oK (2200oF, 1204oC) до тех пор, пока пропитывающий материал достаточно не пропитывал порошковую массу так, чтобы связать ее вместе. Затем массе давали охладиться.
Сравнительный образец В содержит порошковую матричную смесь, имеющую следующий состав и распределение размеров: 67.0 весовых процентов дробленого литого карбида вольфрама, имеющего следующее распределение размеров частиц: от 18 до 22,0 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама имеют размер - 80 + 120 меш. (больше 125 микрометров и меньше или равный 177 микрометрам), от 25.0 до 30.0 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама имеют размер - 120 + 170 меш. (больше 88 микрометров и меньше или равный 125 микрометрам), от 29.0 весовых процентов до 33.0 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама имеют размер - 170 + 230 меш. (больше 63 микрометров и меньше или равный 88 микрометрам), от 18.0 весовых процентов до 22.0 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама имеют размер - 230 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равный 63 микрометрам), и до 5.0 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама имеют размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам). Компонент далее имеет 31.0 весовых процентов частиц дробленого литого карбида вольфрама, имеющих размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам), 1.0 весовой процент частиц железа, имеющих размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам), и 1.0 весовой процент частиц стали 4600, имеющих размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам).
Пропитывающим материалом был MACROFIL 53. Состав MACROFIL 53 определен ранее. Эта порошковая смесь помещалась в форму вместе с пропитывающим материалом MACROFIL 53 и нагревалась приблизительно до 1478 K (2200oF, 1204oC) до тех пор, пока пропитывающий материал достаточно не пропитывал порошковую массу так, чтобы связать ее вместе. Затем массе давали охладиться.
Сравнительный образец Г содержит порошковую матричную смесь, имеющую следующий состав и распределение размеров: около 64 весовых процентов макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер (частиц) - 80 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равный 177 микрометрам); 14 весовых процентов макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер - 325 меш. (меньше или равный- 44 микрометрам) ; 14 весовых процентов дробленого литого карбида вольфрама, имеющего размер - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам); и 8 весовых процентов никеля, имеющего размер - 200 меш. (меньше или равный 74 микрометрам). Этот никель представляет собой никель INCO типа 123, от Международной Никелевой Компании, и представляет собой единственный (особенный) покрытый шипами порошок правильной формы. Химический анализ и физические характеристики, доступные из коммерческой литературы, выявляют следующее: химический анализ показывает состав из: максимум 0.1 углерода, максимум 0.15 кислорода, максимум 0.001 серы, максимум 0.01 железа и остальное - никель. Средний размер частицы составляет 3 - 7 микрометров (размер отверстий "рыболовного сита"), объемная плотность 1.8 - 2.7 грамм/см3, и удельная площадь поверхности составляет 0.34 - 0.44 м2/г.
Пропитывающим материалом был MACROFIL 53. Состав MACROFIL 53 определен ранее. Эта порошковая смесь помещалась в форму вместе с пропитывающим материалом MACROFIL 53 и нагревалась приблизительно до 1478 K (2200oF, 1204oC) до тех пор, пока пропитывающий материал достаточно не пропитывал порошковую массу так, чтобы связать ее вместе. Затем массе давали охладиться.
Подлинные образцы
Следующие подлинные образцы настоящего изобретения были сделаны и испытаны, и результаты испытаний также представлены далее.
Образец N 1
Образец N 1 содержит порошковую матричную смесь, имеющую следующий состав и распределение размеров: 100 весовых процентов частиц дробленого спеченного сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер частиц - 140 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равный 105 микрометрам). Состав сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама содержит 13 весовых процентов кобальта и 87 весовых процентов макрокристаллического карбида вольфрама, в котором макрокристаллический карбид вольфрама имеет средний размер частицы приблизительно между 5 микрометрами и 25 микрометрами.
Пропитывающим материалом был MACROFIL 53. Состав MACROFIL 53 определен ранее. Эта порошковая смесь помещалась в форму вместе с пропитывающим материалом MACROFIL 53 и нагревалась приблизительно до 1478 K (2200oF, 1204oC) до тех пор, пока пропитывающий материал достаточно не пропитывал порошковую массу так, чтобы связать ее вместе. Затем массе давали охладиться.
Образец N 2
Образец N 2 содержит порошковую матричную смесь, содержащую следующее: 100 весовых процентов частиц дробленого спеченного сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер - 140 + 270 меш. (больше 63 микрометров и меньше или равный 105 микрометрам). Состав сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама содержит 6 весовых процентов кобальта и 94 весовых процентов макрокристаллического карбида вольфрама, в котором карбид вольфрама имеет средний размер частиц приблизительно между 5 микрометрами и 25 микрометрами.
Пропитывающим материалом был MACROFIL 53. Состав MACROFIL 53 определен ранее. Эта порошковая смесь помещалась в форму вместе с пропитывающим материалом MACROFIL 53, и нагревалась приблизительно до 1478oK (2200oF, 1204oC) до тех пор, пока пропитывающий материал достаточно не пропитал порошковую массу так, чтобы связать ее вместе. Затем массе давали охладиться.
Образец N 3
Образец N 3 содержит порошковую матричную смесь, имеющую следующий состав и распределение размеров частиц:
(а) около 50.25 весовых процентов смеси составляют частицы макрокристаллического карбида вольфрама, с размером частиц - 80 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равным 177 микрометрам); и
(б) около 25.00 весовых процентов смеси составляют частицы дробленого спеченного сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама с размером частиц - 120 меш. (меньше или равным 125 микрометрам); и имеющего следящий состав: приблизительно 6 весовых процентов кобальта, максимум 1.0 весовой процент железа, максимум 1.0 весовой процент тантала, максимум 1.0 весовой процент титана, максимум 0.5 весовых процентов ниобия, максимум 0.5 весовых процентов других примесей и остальное - макрокристаллический карбид вольфрама, имеющий средний размер частиц приблизительно между 5 микрометрами и 25 микрометрами; и
(в) приблизительно 23.25 весовых процентов от смеси составляет литой карбид вольфрама, имеющий размер частицы - 270 меш. (меньше или равный 53 микрометрам) с удаленными тонкодисперсными частицами;
(г) приблизительно 0.75 весовых процентов смеси составляет сталь сорта 4600, имеющая размер частиц - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам); и
(д) приблизительно 0.75 весовых процентов смеси составляет железо, имеющее средний размер частиц 3 - 5 микрометров.
Эта порошковая смесь помещалась в форму вместе с пропитывающим материалом MACROFIL 53 и нагревалась приблизительно до 1478 K (2200oF, 1204oC) до тех пор, пока пропитывающий материал достаточно не пропитывал порошковую массу так, чтобы связать ее вместе. Затем массе давали охладиться.
Образец N 4
Образец N 4 содержит порошковую матричную смесь, которая имеет следующий состав и распределение размеров частиц:
(а) около 33.50 весовых процентов смеси составляют частицы макрокристаллического карбида вольфрама, с размером частиц - 80 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равным 177 микрометрам);
(б) около 50.00 весовых процентов смеси составляют частицы дробленого спеченного сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама с размером частиц - 120 меш. (меньше или равным 125 микрометрам); и имеющего следующий состав: приблизительно 6 весовых процентов кобальта, максимум 1.0 весовой процент железа, максимум 1.0 весовой процент тантала, максимум 1.0 весовой процент титана, максимум 0.5 весовых процентов ниобия, максимум 0.5 весовых процентов других примесей и остальное - макрокристаллический карбид вольфрама, имеющий средний размер частиц приблизительно между 5 микрометрами и 25 микрометрами; и
(в) приблизительно 15.50 весовых процентов от смеси составляет литой карбид вольфрама, имеющий размер частиц - 270 меш. (меньше или равный 53 микрометрам) с удаленными тонкодисперсными частицами;
(г) приблизительно 0.50 весовых процентов смеси составляет сталь сорта 4600, имеющая размер частиц - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам); и
(д) приблизительно 0.50 весовых процентов смеси составляет железо, имеющее средний размер частиц 3 - 5 микрометров.
Эта порошковая смесь помещалась в форму вместе с пропитывающим материалом MACROFIL 53 и нагревалась приблизительно до 1478 K (2200oF, 1204oC) до тех пор, пока пропитывающий материал достаточно не пропитывал порошковую массу так, чтобы связать ее вместе. Затем массе давали охладиться.
Образец N 5
Образец N 5 содержит порошковую матричную смесь, которая имеет следующий состав и распределение размеров частиц:
(а) около 16.75 весовых процентов смеси составляют частицы макрокристаллического карбида вольфрама, с размером частиц - 80 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равным 177 микрометрам);
(б) около 75.00 весовых процентов смеси составляют частицы дробленого спеченного сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама с размером частиц - 120 меш. (меньше или равным 125 микрометрам); и имеющего следующий состав: приблизительно 6 весовых процентов кобальта, максимум 1.0 весовой процент железа, максимум 1.0 весовой процент тантала, максимум 1.0 весовой процент титана, максимум 0.5 весовых процентов ниобия, максимум 0.5 весовых процентов других примесей и остальное - макрокристаллический карбид вольфрама, имеющий средний размер частицы приблизительно между 5 микрометрами и 25 микрометрами; и
(в) приблизительно 7.75 весовых процентов от смеси составляет литой карбид вольфрама, имеющий размер частиц - 270 меш. (меньше или равный 53 микрометрам) с удаленными тонкодисперсными частицами;
(г) приблизительно 0.25 весовых процентов смеси составляет сталь сорта 4600, имеющая размер частицы - 325 меш. (меньше или равный 44 микрометрам); и
(д) приблизительно 0.25 весовых процентов смеси составляет железо, имеющее средний размер частицы 3 - 5 микрометров.
Эта порошковая смесь помещалась в форму вместе с пропитывающим материалом MACROFIL 53 и нагревалась приблизительно до 1478 K (2200oF, 1204oC) до тех пор, пока пропитывающий материал достаточно не пропитывал порошковую массу так, чтобы связать ее вместе. Затем массе давали охладиться.
Образец N 6
Образец N 6 содержит порошковую матричную смесь, которая имеет следующий состав и распределение размеров частиц:
(а) около 100 весовых процентов смеси составляют частицы дробленого спеченного сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама, имеющие размер - 120 меш. (меньше или равный 125 микрометрам) и имеющего следующий состав: около 6 весовых процентов кобальта, максимум 1.0 весовой процент железа, максимум 1.0 весовой процент тантала, максимум 1.0 весовой процент титана, максимум 0.5 весовых процентов ниобия, максимум 0.5 весовых процентов других примесей и остальное - макрокристаллический карбид вольфрама, имеющий средний размер частиц приблизительно между 5 микрометрами и 25 микрометрами.
Эта порошковая смесь помещалась в форму вместе с пропитывающим материалом MACROFIL 53 и нагревалась приблизительно до 1478 K (2200oF, 1204oC) до тех пор, пока пропитывающий материал достаточно не пропитывал порошковую массу так, чтобы связать ее вместе. Затем массе давали охладиться.
Образец N 7
Образец N 7 содержит порошковую матричную смесь из 100 весовых процентов сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего состав 10 весовых процентов никеля и 90 весовых процентов макрокристаллического карбида вольфрама. Распределение размеров частиц порошковой смеси содержит: 0.1 весовых процентов сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер частицы. - 80 + 120 меш. (больше 125 микрометров и меньший или равный 177 микрометрам); 11.4 весовых процентов сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер частиц - 120 + 170 меш. (больше 88 микрометров и меньше или равный 125 микрометрам); 41.1 весовых процентов сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер частиц - 170 + 230 меш. (больше 63 микрометров и меньше или равный 88 микрометрам); 44.5 весовых процентов сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер частиц - 230 + 325 меш. (больше 44 микрометров и меньше или равный 63 микрометрам); и 2.9 весовых процентов сцементированного макрокристаллического карбида вольфрама, имеющего размер частиц - 325 + 400 меш. (больше 37 микрометров и меньше или равный 44 микрометрам).
Эта порошковая смесь помещалась в форму вместе с пропитывающим материалом MACROFIL 53, и нагревалась приблизительно до 1478 K (2200oF, 1204oC) до тех пор, пока пропитывающий материал достаточно не пропитывал порошковую массу так, чтобы связать ее вместе. Затем массе давали охладиться.
Образцы N 8 и N 9
Образцы N 8 и N 9 такие же, как образец N 7.
Чтобы образовать сцементированный макрокристаллический карбид вольфрама для образцов с N 7 по N S, макрокристаллический карбид вольфрама смешивался с 10 весовыми процентами никеля, порошковая смесь спекалась в течение одного часа при температуре 1644 К (1371oC (2500oF)). Спеченный материал потом дробился на частицы с размерами, определенными в примерах с 7 по 9.
Результаты испытаний
Испытания на ударопрочность (сопротивление удару, ударная вязкость) проводились в соответствии c процедурой, использующей машину ударной вязкости (ударопрочности). Машина имела молоток, который при падении создавал ударную силу нагрузки на контрольном образце (пробном экземпляре). Чтобы вычислить ударопрочность использовались нагрузка, требуемая, чтобы сломать образец и время, необходимое, чтобы сломать образец. Это испытание проводилось, используя башню падающего молота, оборудованного мечиком (молотковый копер). Это испытание представляет собой трехточечное испытание на изгиб высокой степени деформации, которое измеряет количество энергии, требуемое, чтобы сломать штырек образца диаметром в половину дюйма (1,27 см).
Испытания прочности на разрыв проводились в соответствии с процедурой, в которой цилиндрический штырек из пропитанного материала помещался в зажимное крепление. Потом к штырьку прикладывалась нагрузка вплоть до разрушения. Затем прочность на разрыв вычислялась на основании фактической нагрузки и размеров образца штырька.
Испытания на твердость проводились в соответствии со стандартом ASTM (Американское общество испытания материалов) В347- 85.
Результаты испытаний на ударопрочность, прочность на поперечный разрыв и твердость проводятся далее для шести образцов и трех сравнительных образцов.
Образец N 1
Ударопрочность - 6.41 Дж (4.728 футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 9765 кг/см2, 957338 КПа, (136 тыс.фунтов/кв.дюйм)
Твердость по Роквеллу С - 29.2
Образец N 2
Ударопрочность - 9,21 Дж (6.792 футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 13211 кг/см2, 1,26•106 КПа, (184 тыс.фунтов/кв. дюйм)
Твердость по Роквеллу С - 44.8
Образец N 3
Ударопрочность - 4.77 Дж (3.516 футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 7539 кг/см2, 739117 КПа, (105 тыс.фунтов/кв.дюйм)
Твердость по Роквеллу С - 33.6
Образец N 4
Ударопрочность - 6.53 Дж (4.819 футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 9405 кг/см2, 922240 КПа, (131 тыс.фунтов/кв.дюйм)
Твердость по Роквеллу С - 42.2
Образец N 5
Ударопрочность - 7.08 Дж (5.222 футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 10985 кг/см2, 1,08•106 КПа, (153 тыс.фунтов/кв. дюйм)
Твердость по Роквеллу С - 44.3
Образец N 6
Ударопрочность - 11.33 Дж (8,356 футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 11631 кг/см2, 1,14•106 КПа, (162 тыс.фунтов/кв. дюйм)
Твердость по Роквеллу С - 42,5
Образец N 7
Ударопрочность - 12.54 Дж (9.249 футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 15508 кг/см2, 1,52•106 КПа, (216 тыс.фунтов/кв. дюйм)
Твердость по Роквеллу С - 41.7
Образец N 8
Ударопрочность - 10.73 Дж (7.912 футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 14503 кг/см2, 1,42•106 КПа, (202 тыс.фунтов/кв. дюйм)
Твердость по Роквеллу С - 35.4
Образец N 9
Ударопрочность - 10.06 Дж (7.421 футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 13713 кг/см2, 1,34•102 КПа, (191 тыс.фунтов/кв. дюйм)
Твердость по Роквеллу С - 36.3
Образец А
Ударопрочность - 3.7 Дж (2,730 футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 8329 кг/см2, 816640 КПа, (116 тыс. фунтов/кв.дюйм)
Твердость по Роквеллу С - 38.3
Образец Б
Ударопрочность - 4.2 Дж (3.094 футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 8185 кг/см2 802550 КПа, 114 тыс.фунтов/кв.дюйм)
Твердость по Роквеллу С - 31.5
Образец В
Ударопрочность - 3.34 Дж (2.466 футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 6893 кг/см2, 675840 КПа, (96 тыс.фунтов/кв.дюйм)
Твердость по Роквеллу С - 38.7
Образец Г
Ударопрочность (------- (----- футо-фунтов)
Прочность на разрыв - 9190 кг/см2, 901120 КПа, (128 тыс.фунтов/кв.дюйм)
Твердость по Роквеллу С - ----
Испытание на абразивный износ (истирание) было выполнено в соответствии со способом Riley-Stoker (Стандарт ASTM В611), используя противовес весом 26 кг. Эти результаты приводятся далее;
Образец - Потеря веса (Верх/Низ)
Образец N 1 - 426.5/373.9
Образец N 2 - 373.3/298.2
Образец N 3 - 427.6/423.5
Образец N 4 - 394.4/387.4
Образец N 5 - 382.7/375.1
Образец N 6 - 339.8/374.0
Образец N 7 - 344.8/-
Образец N 8 - 350.4/257.2
Образец N 9 - 357.4/331.7
Образец A - 439.9/443.5
Образец Б - 472.1/466.4
Образец В - 322.3/329.0
Образец Г - 419.4/406.5
*диска (монеты)
Единицами для измерения потери веса являются граммы на пятьдесят оборотов колеса.
Для процедуры испытания эрозионной стойкости, испытание состояло в том, чтобы подвергнуть диски, сделанные из материала матрицы, высокому давлению потока воды вместе с абразивным песком в течение определенного времени. Параметры испытания были установлены следующим образом:
Давление воды 7.0•103 КПа (1000 фунтов/кв.дюйм).
Размер мелких песчинок 50-70 (мелкодисперсный)ASTM.
Размер сопла #4-15 градусов.
Продолжительность испытания 1 минута.
Угол падения (соударения) 20 градусов.
Испытательная установка состояла из большого водяного насоса высокого давления, бочки с песком, сопла (форсунки) подающей системы со спусковым механизмом и шлангов, чтобы соединить все это вместе. Процедура, используемая для испытания, заключалась в том, чтобы взвесить диск, поместить его в крепление пескоструйной обработки и подвергнуть диск пескоструйной обработке в течение одной минуты, затем взвесить его снова, чтобы измерить потери, обусловленные эрозией. Устройством, использованным для того, чтобы взвесить диск, являлись весы Меттлера с точностью = 0.002 грамма. Диск очищался и сушился перед каждым взвешиванием. Было выполнено два испытания на каждой стороне диска.
Скорости потоков (расход) воды и песка также контролировались. Средняя на протяжении всего испытания скорость потока воды составила приблизительно 0,126 кг/сек (0.126 л/сек, 2 галлона в минуту). Средняя на протяжении всего испытания скорость потока песка составила приблизительно 4.9 г/сек (0.65 фунтов/минуту), с некоторым заметным увеличением по ходу испытания. Точность измерения потока песка была приблизительно ±0.38 г/сек (±0.05 фунтов/минуту). Эта процедура испытания соответствует стандарту ASTM G76, за исключением того, что в ней используется жидкая струя вместо газовой струи.
Эти результаты испытаний были нормированы так, чтобы учесть изменения (вариации) в потоке песка. Потери веса выражены в граммах.
Образец - Потеря веса (Верх/Нив.)
Образец N 1 - 0.25/0.19
Образец N 2 - 0.16/0,13
Образец N 3 - 0.12/0.13
Образец N 4 - 0.13/0.10
Образец N 5 - 0.11/0.13
Образец N 6 - 0.10/0.03
Образец N 7 - ----
Образец N 8 - 0.05/0.04
Образец N 9 - ----
Образец A - 0.42/0.37
Образец Б - 0.38/0.37
Образец В - 0.17/0.17
Образец Г - 0.12/0.09
*диска
Другие варианты воплощения настоящего изобретения будут очевидными специалистам из рассмотрения подробного описания или применения изобретения, раскрытого здесь. Подразумевается, что подробное описание и образцы изобретения следует рассматривать только как иллюстрированные, при этом истинные возможности (рамки) и суть изобретения, обозначаются следующей формулой изобретения.
Матричный порошок для формирования в матрицу вместе с пропитывающим материалом для использования в качестве изнашивающего элемента или для использования в целях удерживания хотя бы одного отдельного твердого элемента. Матричный порошок включает частицы дробленого спеченного сцементированного карбида вольфрама. Композитное соединение дробленого спеченного сцементированного карбида вольфрама содержит приблизительно от 6 вес.% до 13 вес.% связующего металла и приблизительно от 87 вес.% до 95 вес.% карбида вольфрама. Технический результат: улучшенный матричный порошок для твердого композитного соединения, содержащего множество твердых элементов типа алмаза или элементов поликристаллических алмазных соединений, удерживаемых в матрице, обеспечивает улучшенные в целом свойства: ударопрочность, прочность на разрыв, твердость, сопротивление эрозии. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.
Приоритет по пунктам:
01.02.95 - по пп.1 - 5, 11 - 13 и 15 - 17;
18.12.95 - по пп.6 - 10 и 14.
| Автоматический огнетушитель | 0 |
|
SU92A1 |
| US 4525178 A, 25.06.85 | |||
| Устройство для жидкостной обработки длинномерного волокнистого материала | 1986 |
|
SU1320270A1 |
| Слоистое изделие для режущегоиНСТРуМЕНТА | 1979 |
|
SU814987A1 |
| Способ изготовления алмазного бурового инструмента | 1977 |
|
SU782958A1 |
