Спеченные вольфрамокобальтовые сплавы марки ВК
Для армирования бурового породоразрушающего инструмента используют спеченные
вольфрамокобальтовые сплавы марки ВК (табл.
2.25).
Преимущества твердых сплавов
ВК:
- большая твердость (до 91 HRC)
- высокое сопротивление износу при нагреве до 1000 °С
- неподверженность заметной пластической деформации
- большая прочность на сжатие
- отсутствие упругой деформации.
Недостатки:
- малый предел прочности на изгиб и растяжение
- небольшая ударная вязкость
Спеченный сплав изготавливают из порошковой смеси карбида вольфрама
путем прессовки ее в специальных графитовых пресс-формах и спекания при
температуре ниже температуры плавления карбидов в соответствии с требованиями
ГОСТ 388-74. Цифры в марке сплава соответствуют процентному содержанию
кобальта.
Твердость сплава возрастает с увеличением содержания
карбида вольфрама и уменьшением размеров его зерен. Предел прочности при изгибе
повышается с увеличением содержания кобальта и размера зерен вольфрама. При
увеличении содержания кобальта возрастает сопротивление сплава сжатию, максимум
достигается при 6% Со, затем плавно снижается. Мелкозернистые сплавы обладают
более высокой прочностью на сжатие, чем крупнозернистые. Ударная вязкость сплава
растет с повышением содержания кобальта и увеличением зернистости.
При
нагреве сплава в процессе работы уменьшаются его твердость, предел прочности
на изгиб и сжатие. В интервале температур 20-200°С прочность твердого
сплава на изгиб несколько растет, а с увеличением температуры до
900-1000°С - интенсивно падает, уменьшаясь в 2-2,5 раза.
Плотность твердых
сплавов уменьшается с увеличением содержания кобальта, причем плотность
мелкозернистых сплавов выше, чем крупнозернистых. Твердый сплав
обладает высокой теплопроводностью, что способствует быстрому отводу тепла от
режущих кромок и уменьшению их износа.
Соединение твердого сплава со
сталью, т.е. резца с корпусом породоразрушающего инструмента, должно быть
достаточно прочным, так как большое значение (2-4 раза) коэффициентов
термического расширения сплава и стали приводит к возникновению при пайке
(нагреве) термических напряжений, после охлаждения часто превосходящих предел
прочности твердого сплава.
Таблица 2.25. Характеристика твердых сплавов
| Марка сплава | Содержание основных компонентов, % | Физико-механические свойства | |||
| Карбид, вольфрама | Кобальт | Предел прочности при изгибе, МПа, не менее | Плотность, г/см3 | Твердость HRC, не менее | |
| ВКЗ | 97 | 3 | 1100 | 15 - 15,3 | 89,5 |
| ВКЗ - М | 97 | 3 | 1100 | 15 - 15,3 | 91,0 |
| ВК4 | 96 | 4 | 1400 | 14,9 - 15,2 | 89,5 |
| ВК4 - В | 96 | 4 | 1400 | 14,9 -15,2 | 88,0 |
| ВК6 | 94 | 6 | 1500 | 14,6 - 15 | 88,5 |
| ВК6 - М | 94 | 6 | 1350 | 14.8 - 15,1 | 90,0 |
| ВК6 - ОМ* | 92 | 6 | 1200 | 14,7 - 15 | 90,5 |
| ВК6 - В | 91 | 6 | 1550 | 14,6 - 15 | 87,5 |
| BK8 | 92 | 8 | 1600 | 14,4 - 14,8 | 87,5 |
| ВК8 - В | 92 | 8 | 1750 | 14,4 - 14,8 | 86,5 |
| ВК8 - ВК | 92 | 8 | 1750 | 14,5 - 14,8 | 87,5 |
| ВК10 | 90 | 10 | 1650 | 14,2 - 14,6 | 87,0 |
| ВК10 - М | 90 | 10 | 1500 | 14,3 - 14,6 | 88,0 |
| BK 10 - OM* | 88 | 10 | 1400 | 14,3 - 14,6 | 88,5 |
| ВК10 - КС | 90 | 10 | 1750 | 14,2 - 14,6 | 85,0 |
| BK11 - B | 89 | 11 | 1800 | 14.1 - 14,4 | 86,0 |
| ВК11 - ВК | 89 | 11 | 1800 | 14,1 - 14,4 | 87,0 |
| ВК15 | 85 | 15 | 1800 | 13,9 - 14,1 | 86,0 |
| ВК20 | 80 | 20 | 1950 | 13,4 - 13.7 | 89,0 |
| ВК20 - КС | 80 | 20 | 2050 | 13,4 - 13,7 | 82,0 |
| ВК20 - К | 80 | 20 | 1550 | 13,4 - 13,7 | 79,0 |
| ВК25 | 75 | 25 | 2000 | 12,9 - 13,2 | 82,0 |
*Содержит 2% карбида тантала.
С учетом основных физико-механических свойств среднезернистые и
крупнозернистые малокобальтовые сплавы применяют для армирования инструмента,
работающего в условиях безударных нагрузок или при малой их интенсивности
(табл. 2.26). В частности, ими армируют коронки для
вращательного и вращательно-ударного бурения и шарошечные долота, работающие в
породах средней твердости.
Средне- и высококобальтовые сплавы
используют для армирования инструмента, работающего в условиях ударных нагрузок,
в частности, для коронок ударно-вращательного бурения с применением гидро- и
пневмоударных машин и шарошечных долот, предназначенных для бурения пород
высокой твердости. Эти сплавы обладают наибольшей прочностью, но они менее
износостойкие.
Предел прочности резцов из твердых сплавов ВК при
поперечном изгибе может быть существенно повышен путем их алмазного шлифования.
Алмазное шлифование не создает поверхностных дефектов и обеспечивает
максимальную прочность сплава; оно положительно влияет и на усталостные
свойства. Так, предел прочности при изгибе и ударная вязкость у шлифованных
образцов повышаются на 20-25%. Алмазное шлифование всей поверхности
твердосплавной вставки увеличивает срок службы инструмента и стабильность его
работы при эксплуатации.
Для армирования бурового инструмента
изготавливаются следующие формы твердого сплава (ГОСТ 880 - 75):
| Для оснащения буровых колонок к погружным пневмоударникам | Г13, Г15 |
| Для оснащения коронок гидроударного бурения | Г55, Г57 |
| Для армирования шарошечных долот | Г25, Г26, Г54 |
| Для армирования лопастных долот | Г41 |
| Для армирования коронок для вращательного и вращательноударного бурения | Г42, Г51, Г53, Г62, Г63 |
Наплавочные твердые сплавы делятся на литые, зернистые и трубчато-зернистые. Они наносятся на поверхность инструмента газопламенной или электродуговой наплавкой.
Сплавы релит 3 и ТЗ применяют для армирования зубьев шарошечных и лопастных долот. Зернистый карбид вольфрама, из которого состоят эти сплавы имеет следующий химический состав: 95,5-96% W; 3,7-4% С; 0,06% свободного углерода и 0,02% примесей (Na, Ca, Si, Fe и др.). Микротвердость должна быть в пределах 20000-24000 МПа.
Таблица 2.26. Области применения твердых сплавов в бурении (ГОСТ 3882—74)
| Область применения | Марка сплава |
| Вращательное бурение эксплуатационных и геологоразведочных скважин, взрывных шпуров в монолитных и абразивных горных породах с f = 8 | ВК6 |
| Ударно-поворотное бурение шпуров в горных породах, твердых каменных углях с f = 8 | ВК6-В |
| Бурение электро- и пневмосверлами углей, антрацитов, сланцев, калийных и каменных солей; бурение ручными и колонковыми электросверлами горных пород с f = 8; бурение шарошечными долотами | ВК4-В |
| Вращательное бурение скважин и взрывных шпуров в трещиноватых абразивных породах с f = 8 | ВК8 |
| Шарошечное бурение взрывных скважин в твердых и очень твердых абразивных породах с f = 18 | ВК8-ВК |
| Ударно-поворотное и ударно-вращательное бурение шпуров и скважин в твердых горных породах с f <14; шарошечное бурение скважин и шпуров в вязких, средней твердости и твердых абразивных породах с f <10 | ВК11-ВК |
| Ударно-поворотное и ударно-вращательное бурение шпуров и скважин в очень твердых и абразивных горных породах с f <18 | BK11-B |
| Ударно-поворотное и ударно-вращательное бурение шпуров и скважин в высшей степени твердых горных породах с f <20 | ВК15 |
| То же, при ударной нагрузке средней интенсивности | ВК20 |
| То же, при ударной нагрузке высокой интенсивности | ВК20 и ВК25 |
Примечание: f - коэффициент крепости породы по шкале проф. Протодьяконова М. М.
