ТВЕРДОСПЛАВНОЕ СВЕРЛО ИЗ КОБАЛЬТСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПЕРФОРАТОРА С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПРИПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ Российский патент 2015 года по МПК B23B51/00 C23C8/16 

Изобретение относится к области металлургии и горного дела, преимущественно к способам модификации изделий из твердых сплавов, применяемых в горном деле, и для холодной и горячей механической обработки металлов и металлических сплавов, например, резанием.

Известно использование карбида титана TiC или нитрида титана TiN в качестве износостойких покрытий, наносимых на поверхности изделий из твердых сплавов [1]. К недостаткам подобных покрытий, помимо дорогостоящей технологии, следует отнести недостаточно прочную адгезию покрытия с поверхностью изделия.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является сверло из кобальтсодержащего материала с нанесенным на него износостойким покрытием [2]. Недостатками прототипа являются сложность изготовления покрытия и недостаточная степень адгезии покрытия к основе.

Предлагаемое изобретение направлено на существенное увеличение износостойкости инструмента.

Указанный результат достигается тем, что твердосплавное сверло из кобальтсодержащего материала для перфоратора снабжено износостойким приповерхностным слоем, содержащим соединения кобальта с водородом и кислородом, модифицирующие приповерхностный слой.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

- износостойкий приповерхностный слой сверла из кобальтсодержащего материала;

- наличие в износостойком приповерхностном слое сверла соединений кобальта с водородом и кислородом, модифицирующих приповерхностный слой.

Нами экспериментально показано, что износостойкий приповерхностный слой сверла из кобальтсодержащего материала содержит соединения кобальта с водородом и кислородом, модифицирующие приповерхностный слой.

Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Производство резцов, оснащенных многогранными неперетачиваемыми пластинами, началось в СССР в 1960-196l гг. [1, С. 498]. До этого времени все твердосплавные режущие пластины были перетачиваемыми и прикреплялись к стальным державкам путем напайки [1, С. 496]. Но и до настоящего времени перетачиваемые твердосплавные изделия широко применяются в машиностроении и в горном деле.

В горном деле для бурения различных пород применяют твердые сплавы типа ВК [3], а в горном машиностроении - твердые сплавы как типа ВК, так и типа ТК [4]. Поэтому результаты, полученные нами при исследовании многогранных пластин этих типов твердых сплавов, полностью применимы и к горному инструменту.

Нашими опытами показано, что термообработка изделий из кобальтсодержащих материалов: режущих пластин из твердого сплава ВК6, увеличивает их микротвердость.

Исследование режущих пластин из твердого сплава ВК6 методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) [5] показало наличие гидроксильных (ОН)^- групп после термообработки. На основании результатов измерения микротвердости, показавших исключительную роль кобальта в ее увеличении, и данных РФЭС было высказано предположение об образовании гидроксида кобальта на поверхности термообработанных образцов.

Однако метод РФЭС способен исследовать лишь поверхность материалов (средняя длина свободного пробега фотоэлектронов равна 3-4 нм) и он не мог выяснить точную химическую формулу соединения, образующегося после термообработки.

Поэтому было предпринято изучение приповерхностного слоя образцов другим методом, а именно методом рентгеновской дифрактометрии (РД) [6, 7]. Использовался автоматизированный дифрактометр D8ADVANCE фирмы BRUKER. Применялось монохроматизированное излучение CuKα. При исследовании фазового состава использовались программа EVA и банк данных PDF-2 2006 г.

Отметим, что исследование методом РД проводились в НИТУ МИСиС, причем исследовались те же образцы, результаты измерения которых методом РФЭС использованы при составлении описаний заявок №2011150848 «Применение гидроксида кобальта в качестве износостойкого покрытия» и №2011150849 «Способ создания покрытия». При этом никаких новых операций термообработки этих образцов не производилось.

Исследования методом РД подтвердили, что в результате термообработки в приповерхностном слое твердого сплава образуются соединения кобальта с водородом и кислородом.

Эти соединения обладают малой твердостью, поэтому их образование не может объяснить наблюдаемые на опыте высокие значения чисел микротвердости. Отсюда следует вывод, что они модифицируют свойства приповерхностных слоев кобальтсодержащих материалов.

Пример 1

Проведена термообработка режущей пластины твердого сплава ВК6 (фазовый состав в массовых процентах: WC - 94, Со - 6). В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1850±140 кГ/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 3371±472 кГ/мм².

Пример 2

В течение весны и лета 2013 года НИИ механики МГУ совместно с ООО НПФ «ЭРГИС», расположенном в г. Октябрьский Республики Башкортостан, провел исследования и испытания воздействия термообработки на микротвердость вставки из твердого сплава ВК8 (фазовый состав в массовых процентах: WC-92, Со-8), впаянной в стальную основу сверла для перфоратора глубокого проникновения. В исходном состоянии микротвердость вставки составляла 1830+120 кГ/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 3150+330 кГ/мм².

Пример 3

Проведена термообработка режущей пластины из кобальтсодержащего твердого сплава Т15К6 (фазовый состав в массовых процентах: WC - 79, TiC - 15, Со - 6). В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1800±325 кГ/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 3300±405 кГ/мм².

Пример 4

Проведена термообработка пластины из кобальтсодержащего твердого сплава Т5 (элементный состав в массовых процентах: W - 78,5, С - 6,5, Та - 5,0, Ti - 4,0, Со - 6,0: фазовый состав в объемных процентах: WC - 70, (Ti, Та, W)C - 8, (Ti, W)C - 7, Со - 15). В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1873±352 кГ/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 3217±675 кГ/мм².

Для получения технического результата, изложенного в формуле изобретения, необходимо произвести следующие действия:

1. Осуществить нагрев твердосплавного сверла в интервале температур 100-200°C.

2. Длительность нагрева может варьироваться в пределах от 0,5 часа до 2,0 часов.

3. В качестве окружающей среды должен использоваться влажный воздух.

В результате диффузии паров воды и кислорода, находящихся в воздухе, в кобальтсодержащий материал и их химического взаимодействия с кобальтом образуются соединения кобальта с водородом и кислородом, модифицирующие приповерхностный слой материала и делающие его износостойким.

Представление о составе, структуре и концентрациях соединений кобальта с водородом и кислородом дают нижеследующие сведения.

В процессе рентгеновских исследований были определены состав и структура гетерогенитов. Одна из модификаций гетерогенитов ромбическая - гетерогенит 3R. Он состоит из трех октаэдров, состоящих из атома кобальта, связанного с шестью атомами кислорода водородными связями. Химическая формула этого гетерогенита - Со⁺³ [О(ОН)], т.е. кобальт в нем трехвалентен. Другая модификация гексагональная - гетерогенит 2Н. Он состоит из двух таких же октаэдров. Его химическая формула- СоО(ОН). Концентрации 3R- и 2Н-гетерогенитов зависят от условий их получения и могут достигать десятков ат. %. Но всегда суммарная концентрация этих гетерогенитов превосходит концентрацию гидроксида кобальта Со(ОН)₂.

Наши многочисленные опыты показали, что длительность существования подобным образом изготовленных износостойких приповерхностных слоев зависит от температуры и продолжительности нагрева и изменяется от одних до 30 суток. Тем не менее, предлагаемый метод может оказаться весьма полезным при работе на скважинах, когда инструмент неоднократно затачивается в процессе работы и сразу используется после заточки.

Заметим, что под термином «твердосплавное сверло» заявители и авторы изобретения понимают как стальное сверло, в которое впаяна твердосплавная вставка, как в примере 2, так и в виде единой твердосплавной конструкции. Поэтому использование этого термина в описании заявки не должно вызывать непонимания.

Использование на практике заявляемого изобретения сулит большие экономические выгоды: простота получения износостойких приповерхностных слоев позволит многократно создавать его изложенным выше методом на твердосплавном перетачиваемом сверле.

Источники информации

1. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976. - С. 499-507.

2. Заявка на изобретение ИНСТРУМЕНТ, RU 2009141366 А1, ⁷С22С 29/08. Опубл. 20.05.2011. Заявитель - Х.К. ШТАРК ГМБХ, Автор-ПРАКАШ Лео (Прототип).

3. ГОСТ 4411-79 Изделия твердосплавные для горного инструмента. Технические условия. Издание официальное. ИПК Издательство стандартов. М.: Издательство стандартов, 1980. ИПК Издательство стандартов, 1998. Переиздание с Изменениями. 6 с.

4. Трусов А.А. Твердосплавный инструмент. Справочник М.: Машиностроение, 1966. - с.

5. Риггс В., Паркер М. Анализ поверхности методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии // Методы анализа поверхностей. Под редакцией А. Зандерны. Перевод с английского под редакцией В.В.Кораблева и Н.Н.Петрова. М.: Мир, 1979, - гл. 4, - р. 138-199.

6. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Учебное пособие для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп.- М.: МИСиС, 2002.

7. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С.Уманский, Ю.А. Скаков, А.Н.Иванов, Л.Н.Расторгуев. - М.: Металлургия, 1982 - 632 с.

Изобретение относится к области металлургии и горного дела, преимущественно к способам модификации изделий из твердых сплавов, применяемых в горном деле и при холодной и горячей механической обработке металлов и металлических сплавов, например, резанием. Сверло имеет износостойкий приповерхностный слой, полученный термообработкой и состоящий из соединений кобальта с водородом и кислородом. Обеспечивается возможность многократного создания износостойкого приповерхностного слоя при переточке сверла. Увеличивается износостойкость сверла. 4 пр.

Tермообработанное твердосплавное перетачиваемое сверло для перфоратора из кобальтсодержащего материала, характеризующееся тем, что оно имеет износостойкий приповерхностный слой, состоящий из соединений кобальта с водородом и кислородом.