Твердые сплавы для армирования породоразрушающего инструмента

Твердые сплавы для армирования породоразрушающего инструмента

Твердые сплавы позволяют существенно повысить износостойкость породоразрушающих инструментов исполнительных органов горных машин с целью увеличения срока службы и работоспособности инструмента и снижения затрат времени на его замену.

Под твердыми сплавами понимают соединения тугоплавких металлов с углеродом, т. е. карбиды этих металлов. В твердых сплавах, используемых в горном деле, наибольшее применение получил карбид вольфрама, отличающийся высокой твердостью и износоустойчивостыо. Однако карбид вольфрама весьма хрупок. С целью уменьшения хрупкости и одновременного сохранения высокой твердости и износоустойчивости добавляется металл, выполняющий роль цемента, связывающего зерна карбида в прочную массу. Таким металлом служит кобальт.

В горной промышленности применяют металлокерамические литые и наплавочные твердые сплавы. Наплавочные твердые сплавы в свою очередь подразделяются на порошкообразные или зернообразные, трубчато-зернообразные и электродные.

Металлокерамические твердые сплавы получили в последнее время широкое распространение для армирования резцов, буровых коронок и долот. Они представляют собой смесь карбида вольфрама с кобальтом, спрессованную и спеченную при высокой температуре, близкой к температуре плавления кобальта. Содержание кобальта определяет хрупкость сплава. С увеличением содержания кобальта хрупкость снижается. Твердость сплаву придает карбид вольфрама. Металлокерамические сплавы изготовляются в виде пластин определенной формы, закрепляемых методом припайки на передней грани резца.

При изготовлении пластин твердого сплава порошок вольфрама смешивается с графитом и прокаливается при температуре 1500°С. В результате получается карбид вольфрама, который дробится и смешивается с кобальтом. Смесь прессуют в формах под давлением 120 МПа, а затем спекают при температуре, близкой к температуре плавления кобальта. Применяются сплавы типов ВК-3 – ВК-15 (цифра в марке сплава указывает процентное содержание кобальта). С увеличением содержания кобальта сплав лучше противостоит динамическим нагрузкам. Поэтому для армирования буровых коронок горных сверл используют сплав ВК-6, а для буровых коронок машин ударного действия – сплав ВК-15. Находят применение крупнозернистые металлокерамические твердые сплавы ВК-4В, ВК-6В, ВК-8В, которые при сравнительно низком содержании кобальта обладают высокой вязкостью, близкой к сплаву ВК-15. Рост пластичности сплава повышает его циклическую долговечность. В последнее время используют металлокерамические твердые сплавы с добавкой тантала, например, ВК-9ВТа, которые обладают повышенной износоустойчивостью.

Дополнительные буквы в марке сплава означают: М – мелкозернистые; С – среднезернистые. Сплав типа ВК-11ВК – крупнозернистый с высокотемпературной карбидизацией, повышенной прочности и вязкости. Сплав ВК-12КС, полученный с использованием вакуумного спекания обладает повышенной циклической долговечностью при многократном ударе. Форма пластин и ее размеры обозначаются дополнительной маркировкой типа: Г1101 … Г1109; Г14 …; Г 33 (ГОСТ 880-79).

Металлокерамические твердые сплавы получили свое называние благодаря технологии изготовления – смесь порошков с последующим нагреванием до температуры плавления кобальта, который обволакивает и скрепляет в единую массу зерна карбида вольфрама.

Металлокерамические твердые сплавы, называемые победитами, изготовляются в виде изделий различной конфигурации, ГОСТ-880-79 «Сплавы твердые металлокерамические. Изделия для горного инструмента, формы и размеры». Твердосплавные пластины или керны припаивают к инструменту с помощью медных, медно-никелиевых или латунных припоев в высокочастотных установках или с помощью ацетиленокислородных горелок. В качестве флюса используют мелкоистолченную прокаленную буру. Пластины твердого сплава со стороны наплавки имеют небольшие выступы. Это позволяет повысить прочность наплавки за счет увеличения поверхности контакта и противодействует сдвигу пластин.

Литые твердые сплавы представляют собой карбиды тугоплавких металлов, например, вольфрама, хрома и других. К ним относятся релит, ликар и сормайт. Они отличаются высокой износоустойчивостью и прочностью. Недостатком их является большая хрупкость, особенно при наличии динамических нагрузок. Они применяются для армирования горных породоразрушающих инструментов, когда отсутствует ударная нагрузка, при бурении разведочных и нефтяных скважин в однородных породах ниже средней крепости. Из указанных сплавов отливаются изделия нужной формы и размеров, которые закрепляются в режущих кромках бурового инструмента.

Порошкообразные твердые сплавы представляют собой смесь (шихту) одного или нескольких металлов с углеродом. В процессе расплавления на поверхности оснащаемого изделия они дают сплав, представляющий твердый раствор карбидов металлов в железе. К порошкообразным сплавам относятся вокар и сталинит.

Вокар представляет собой карбид вольфрама, его недостатком является высокая стоимость и трудоемкость наплавки, особенно выпуклых и наклонных поверхностей.

Сталинит имеет более сложный химический состав (Сг 16 – 20 %, Мп 13 – 17 %, С 8 – 10 %, Fe 55 – 60 %). Хорошим свойством его является увеличение прочности и твердости при отжиге. Сталинит применяется для наплавки резцов, шнеков буровых штанг, козырьков и зубьев ковшей и др.

Трубчато-зернообразные твердые сплавы представляют собой измельченный карбид вольфрама различной зернистости, засыпанный в стальные трубки толщиной 0.65 – 0.8 мм с малым содержанием углерода. При наплавке породоразрушающего инструмента происходит расплавление тела трубки и инструмента, и на поверхности наплавки образуется твердый раствор зерен сплава в железе. Инструмент, наплавленный таким образом, обладает высокой износоустойчивостью и выдерживает большие ударные нагрузки, не теряя этих свойств при высоких температурах. Применяют трубчато-зернообразные твердые сплавы с различной крупностью зерен марок ТЗ-1, ТЗ-2, ТЗ-3, ТЗ-4, ТЗ-5. С увеличением цифры в марке сплава уменьшается его зернистость и повышается вязкость. Величина зерен карбида определяется номером сита, применяемого для просеивания, и соответствует номинальному размеру стороны ячейки в мм. Характеристика сплавов ТЗ приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Параметры трубчато-зернообразных твердых сплавов

Тип сплава	Размер зерен, мм	Наружный диаметр трубки, мм	Цвет окраски края трубки
ТЗ-2	2.0 – 0.9	7	–
ТЗ-3	0.9 – 0.63	6	зеленый
ТЗ-4	0.63 – 0.45	5	желтый
ТЗ-5	0.45 – 0.28	4	белый
ТЗ-6	0.28 – 0.18	4	красный

Трубчато-зенообразные твердые сплавы применяются для армирования зубьев и обратных конусов шарошечных долот, козырьков режущих кромок ковшей и ножей бульдозеров, наружных кромок шнековых спиралей буровых штанг и др.

Армирование трубчато-зернообразными сплавами производится обычно с помощью кислородно-ацетиленовой горелки после зачистки наплавляемой поверхности. При этом армируемая поверхность детали прогревается и плавится до тестообразного состояния, а затем в пламя горелки помещают трубку с зернообразным сплавом. Материал трубки плавится, а тугоплавкие зерна сплава попадают в вязкую массу стали инструмента и остаются там в виде твердых износоустойчивых включений. Толщина наплавливаемого слоя не должна превышать 2-3 мм. Наплавку сплавами ТЗ можно производить в открытой электрической дуге с использованием трубки с зернообразным сплавом в качестве электрода. При этом используется постоянный ток, плюс на держателе, сила тока 75 А, напряжение 35 – 40 В.

Электродные твердые сплавы представляют собой обычный электрод диаметром 4-5 мм, покрытый снаружи специальной обмазкой, в состав которой входят легирующие компоненты: феррохром, ферромарганец, ферротитан и др. Кроме того, изготовляются электродные сплавы с обмазкой из сталинита и релита. Наиболее распространены электродные сплавы Т-590 и Т-620. Сплав Т-590 представляет собой высокохромистый чугун и состоит из феррохрома – 90 %, карбида бора – 5 % и серебристого графита – 5 %. В состав сплава Т-620 входит феррохром – 75 %, ферротитан – 15 %, карбид бора – 5 %, графит – 5 %.

При изготовлении обмазки составляющие компоненты дробятся и тщательно перемешиваются. Смесь разводится в жидком стекле до тестообразного состояния. Затем тестообразную массу заливают в воронку с отверстиями и через неё дважды пропускают электрод. После нанесения на электрод первого слоя обмазки его сушат при естественной температуре, а после нанесения второго слоя – прокаливают в печи.

Наплавку поверхности породоразрушающего инструмента электродными твердыми сплавами производят с помощью постоянного тока, выбирая оптимальные режимы наплавки, обеспечивающие устойчивость электрической дуги.

С целью экономии дефицитного вольфрама и удешевления породоразрушающих инструментов Институтом проблем материаловедения АН Украины разработаны безвольфрамовые твердые сплавы на основе карбида титана и карбонитрида титана, которые по своим свойствам близки к вольфрамокобальтовым сплавам.

Начинают использовать в горном деле природные и синтетические алмазы. Из природных получают применение алмазы типов борт, карбонадо, баллас, имеющие массу от сотых долей до 1-2 каратов (1 карат составляет 0.2 г). Синтетические алмазы получаются из графита в специальных камерах при давлении (5-12). 103 МПа и температуре около 3000°С в присутствии металла – растворителя (никеля, марганца, железа и др.). Изготовляются моно - и поликристаллические синтетические алмазы. В горном деле для армирования породоразрушающих инструментов находят применение поликристаллические алмазы марки СВСП.

Перспективным является использование в качестве материала для армирования инструментов нитрида бора в виде кубической модификации химического соединения бора с азотом (эльбор, кубонит, боразон, гексанит). Названные модификации в зависимости от технологии изготовления обладают широким диапазоном физико-механических свойств.

В последние годы начато изготовление опытных образцов породоразрушающих инструментов, армированных композиционными сплавами типа стратопакса, изготовленными в виде таблеток диаметром 8-13 мм. Композиционные сплавы изготавливаются на основе карбида вольфрама или карбида титана с добавкой искусственных алмазов. Использование композиционных сплавов позволяет разрушать породы резанием крепостью до 10 – 12 по . Подобная практика армирования горных инструментов композиционными сплавами имеет место также за рубежом.