Металлокерамическая твердосплавная пластина Советский патент 1990 года по МПК C22C29/08 B23B27/14 B32B7/02 

Изобретение относится к металло- керамическим твердосплавным пластинам, применяемым, предпочтительно, в инструментах для бурения по породе к минералу.

Целью изобретения является по- вьшение износостойкости пластины.

Предлагаемая металлокерамическая твердосплавная пластина состоит из сердцевины и поверхностного слоя из твердого сплава карбид вольфрама - кобальт, причем из твердого сплава- иа основе карбида вольфрама с 6-15% кобальта, содержащего 15-35% эта-фазы с размером зерна 2-4 мкм, поверх- ностньй слой выполнен шириной 2-3,5 мм из внутренней и наружной зон с содержанием. 9-22% кобальта во внутренней зоне и содержанием 3-10% кобальта в наружной зоне при ширине наружной зоны 0,5-2 мм.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Из порошка карбида вольфрама, содержащего 6% кобаль-. та, с 0,3% субстехиометрическим содержанием углерода (5,5% углерода вместо 5,8% углерода для обьиного металлокерамического твердого сплава) получили прессованием дисковые пластины высотой 16 мм и диаметром 10мм. Пластины предварительно спекали в атмосфере азота в течение ч при 900 и затем подвергали стандартному спеО)

О5

СН

Ланию при После этого пластины редко упаковали в.. мелкозернистом порошке 3 в графитовых ящиках и термообработали в науглероживающей атмосфере в течение 2 ч при 1450°С в печи толкателького типа. На начальной стадии спекания образовывалась структура альфа-бета-фазы, в которой равномерно распределена тонкозернис- тая эта-фаза. Одновременно на поверхности пластин образовьшалась очень узкая зона альфа-бета структуры,, потому что углерод начинает диффундировать в пластинах и превращает эта-фазу в альфа-бета-фазу. После спекания в течение 2 ч диффундирует достаточное количество углерода, который трансформирует всю эта-фазу в широкой поверхностной зоне. Плас

- , ю 41664

наружной зоне шириной около 0,5 мм 3%, а во внутренней 12%.

Структура сплава WC-Co без эта- фазы.

Структура WC-Co без эта-фазы, но более тонкоизмельченная с размером частиц примерно 1,8 мкм.

Процедура испытания. Этими буро- вьми коронками пробурили несколько рядов шпуров по семь шпуров в ряду на глубину 5 м и затем их переместили для создания точных условий для бурения. При первом повреждении пластины буровые коронки сразу же снимали с испытания и отмечали количество пробуренных метров (см. табл. 5)

Таблица 1

t5

Изобретение относится к металлокерамическим твердосплавным пластинам, применяемым в инструментах для бурения по породе и минералу. Цель - повышение износостойкости пластины. Пластина состоит из сердцевины и поверхностного слоя из твердого сплава на основе карбида вольфрама с 6-15% кобальта, содержащего 15-35% эта-фазы с размером зерна 2-4 мк. Поверхностный слой выполнен шириной 2-3,5 мм из внутренней и наружной зон с содержанием 9-22% кобальта во внутренней зоне и 3-10% кобальта в наружной зоне при ширине наружной зоны 0,5-2 мм. Пластина обеспечивает большой срок службы и имеет повышенную износостойкость. 6 табл.

тины, изготовленные этим способом, имели после спекания 2 мм поверхностную зону, свободную от эта-фазы и сердцевину диаметром 6 мм, содержащую около 25% от тонко распределенной эта-фазы с размером зерна около 2 мм. Содержание кобальта на поверхности составило 4,8%, а снаружи эта-фазы 10,1%. Ширина части, имеющей низкое содержание кобальта, равнялась например 1 мм.

Пример 2о Порода.- твердьй абразивный гранит с небольшим количеством лептита прочность на сжатие 2800-3100 бар. Машина - гидравлическая буровая машина для тяжело- го колонкового бурильного молотка. Давление подачи 85 бар, давление при вращении 45 бар, число оборотов 200 об./мин.

Буровые колонки: 45 мм дисковые коронки, 2 пера с 10 мм периферийными пластинами высотой 16 мм, 10 буровых коронок для каждого варианта. Состав твердого сплава: 94% КС и 6% кобальта. Размер зерна (образцы 1-3) равен 2,5 мкм.

Испытьшаемые образцы с эта-фазой Сердцевина с содержанием 20 об.% эта-фазы с размером зерна 2-3 мкм, диаметром 6 мм, поверхностный слой шириной 2 мм, причем содержание кобальта в наружной зоне шириной около 1 мм 4%, а во внутренней 10%.

Сердцевина с содержанием около 35 об.% эта-фазы с размером зерна 2-3 мм,поверхностный слой шириной 1,25 мм с содержанием кобальта в

Наилучший образец сплава с эта- фазой показал примерно на 40% более продолжительный срок службы, чем наилучшая марка обычного твердого сплава.

Пример 3. Абраз1ивный гранит, имеющий прочность на-сжатие примерно 2000 бар. Машина - пневматическое оборудование с гусеничным пр шодом для бурения в породе нисходящего шпура. Давление воздуха 18 бар, число оборотов 40 об./мин. Буровые коронки - коронки размером 165 мм для бурения нисходящего шпура, имеющие пластины диаметром 14 мм, высотой

24 мм, 5 буровых коронок для каждого варианта. Интервал между перезаточка- ми буровой коронки 42 м. Глубина шпзфа 21 м. Состав металлокерамическоготвердого сплава такой же, как в примере 2.

Все образцы сплава имели размер зерна 2,5 мкм„

Испытьюаемые образцы.

Образец 1 содержит сердцевину дна- метром 1,6 мм с 30-35% эта-фазы с раз

51

мером зерна 2-3 мкм и поверхностный слой с содержанием кобальта в наружной зоне шириной 1,5 мм 3,5% и 10,5% во внутренней зоне

Обычные марки сплава для сравнения. Сплав 2 карбида вольфрама и кобальта без эта-фазы. Сплав 3 карбида вольфрама и кобальта без эта-фазы, тонкозернистый с размером зерна 1,8 мкм.

Испытания проводили при каждой перезаточке буровой коронки, т.е. после каждого второго шпура изменяли порядок буровых коронок так, чтобы сохранялись одинаковые условия бурения. Бурение прекращали для каждой буровой коронки, когда износ диаметра становится слишком большим или когда было видно повреждение пластины (табл. 2).

Таблица 2

Количество пробуренныхметров

Твердость до бурения

1 2 3

820 100 1560 1390 1520 573 70 1420 1420 1415 429 52 1520 1520 1515

Пример

.2

Машина - дорожный струг четырехколесная машина с гидравлическим приводом и автоматическим регулированием глубины резания.

Ножевой вал - ширина 2 м, диамет включая инструмент, 950 мм, окружна скорость 3,8 м/с, глубина резания 40 мм.

Оборудование - вокруг вала (цилиндр) равномерно распределили 166 инструментов, из которых 60 инструментов (20 для каждого варианта) имели обычный металлокерамический твердьй сплав 1 и 2 и предложенный твердый сплав. Испытьшаемые инструменты работали попарно одновременно и бьти равномерно распределены вокруг вала по всей его ширине (см. таило 3).

66

Таблица 3

Обычная марка сплава9,5

Обычная марка сплава8

Сплав, содержащий около 30 об.% эта-фазы с размером зерна 2-3 мкм9,5

106 20

20

Содержание кобальта в наружной зоне шириной около 1 мм 4%, а во внутренней около 9%.

Все пластины имели высоту 1 7 мм и диаметр 16 мм.

После повреждения испытьгааемой пластины или обычной пластины инструмент сразу заменяли стандартные инструментом. Величина износа образцов показана в табл. 4.

Таблица 4

35

40

45

0

5

Из табЛо 4 следует, что предложенная пластина не имеет повреждений.

Пример 5, Место для испытания - бурение в открытом карьере с шарошечными буровьми головками (три конические буровые коронки). Усилие подачи 40 т при 70 об./мин. Пробурили шпуры глубиной 10-17 м. Буровая коронка - двенадцать 1/4 шарошечных буровых коронок, по две коронки для каждого варианта. Порода - в основном пустая порода с зонами кварца, прочность на сжатие 1350-1600 килофун- тов/см.

Испытываемые образцы.

Стандартный сплав 1 содержит 10% кобальта, пластина диаметром 14 мм и высотой 21 мм.

Сплав 2 содержит 15 об.% эта-фазы с размером зерна 2-3 мм и 10% кобальта, пластина диаметром 14 мм и высотой 2 мм имеет 2 мм поверхностную зону, свободную от эта-фазы и сердце- JQ вину из эта-фазы. диаметром 9 мм. Градиент кобальта составил 7% в поверхности и 15% в части, богатой кобальтом. Ширина наружной зоны равнялась 1,5 мм.

Результаты испытаний пластин пред ставлены в табЛо 5

1604166 8

Содержание кобальта в наружной зоне шириной 1 мм 10%, а во внутренней 22%.

В шароппсе с стандартными пластинами 30% пластин повредились, тогда как в испытываемой шарошке выпши из строя только 5% пластиНо

Пример 7. Испытание прово- дипи на армированных буровых коронках диаметром 48 мм.

Порода - магнетит пустая порода. Буровая машина - Атлас Копко СОР1038НД7. Применяли колонковый бурильный молоток. Режущая пластина:

15

высота 21 мм, щИрина 13 мм, длина 17 ммо Марка металлокерамического твердого сплава: 11% кобальта и остальное карбид вольфрама с размером зерна 4 мкм.

Таблица 5

1220 1750

100 140

13 16

100 123

Как следует из табл. 5, пластины из сплава предложенного состава имеют более продолжительный срок службы, а также большую скорость бурения.

Пример 6.В машинах для бурения применяют шарошки с твердосплавными пластинамио Пластины из сплава, имеющего сердцевину из эта- фазы, испытали на буровой головке (7 футов).

Порода - гнейс, прочность на сжатие 267. МПа, износостойкая. Длина бурения 149,5 м, скорость бурения 0,8 м/ч„

Одну шарошку снабдили пластинами диаметром 22 мм и высотой 30 мм из стандартного сплава, содержащего 15% кобальта и остальное карбид вольфрама с размером зерна 2 мкм. Испытываемую шарошку,помещенную диаметрально на бу ровую головку для проходки восстающего снабдили пластинами, имеющими сердцевину с содержанием 20 обо% с размером 3 м на 2-3 мм состава; 15% кобальта, карбид вольфрама с размером зерна 2 мкм.

Поверхностный слой шириной 3 мм, диаметр сердцевинь из эта-фазы 16 мм

Порода - магнетит пустая порода. Буровая машина - Атлас Копко СОР1038НД7. Применяли колонковый бурильный молоток. Режущая пластина:

высота 21 мм, щИрина 13 мм, длина 17 ммо Марка металлокерамического твердого сплава: 11% кобальта и остальное карбид вольфрама с размером зерна 4 мкм.

Образец 1 - сердцевина с содержанием 25 обо% эта-фаза с размером зерна 3-4 мкм и поверхностный слой шириной 3 мм с содержанием кобальта во внутренней зоне шириной около 1 мм 15% и в наружной 8%

Образец 2 - стандартный.

Результаты испытаний представлены в табЛо 6.

Таблица 6

Как следует из табл. 6, предложенная пластина обеспечивает большой срок службы и имеет меньший износ.

Формула изобретения

Металлокерамическая твердосплавная пластина предпочтительно для бурения по породе и выемки минералов, состоящая из сердцевины и поверхностного слоя из твердого сплава карбид вольфрама кобальт, отличающаяся тем, что, с целью повьш1е- ния износрстойкости пластины, сердцевина выполнена диаметром 1,7-16 мм из твердого сплава на основе карбида

. 160416610

вольфрама с 6-15% кобальта, содержа-и наружной зон с содержанием 9-22%

щего J5-35% эта-фазы с размером зер-кобальта во внутренней зоне н Ьодерна 2-4 мкм, поверхностный слой вы-жанием 3-10% кобальта и наружной зополнен шириной 2-3,5 мм из внутренней Р ширине наружной зоны 0,5-2 мм.