Ахметсагиров Сергей Маратович. Технологическое обеспечение стабильности циклической ударной стойкости твердосплавных зубков буровых шарошечных долот

Короткий опис

Ахметсагиров Сергей Маратович. Технологическое обеспечение стабильности циклической ударной стойкости твердосплавных зубков буровых шарошечных долот : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.01 / Ахметсагиров Сергей Маратович; [Место защиты: Сам. гос. техн. ун-т].- Самара, 2009.- 196 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/2957

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Открытое акционерное общество "ВОЛГАБУРМАШ"
04 20. В 958 645 " На правах рукописи-

АХМЕТСАГИРОВ Сергей Маратович
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ
ЦИКЛИЧЕСКОЙ УДАРНОЙ СТОЙКОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ
ЗУБКОВ БУРОВЫХ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ
л ш 05,02.01 - Материаловедение (машиностроение)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Амосов А .П.
в*'
^ Самара-2009

СОБРАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
L ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ^^ - 12
1.1. Возникновение и технические данные твердых сплавов 12
1.1. ], Тсрми мы и свойства 13
1.2. Классификация, марки и область применения
спеченных твердых сплавов 15
1.3. Технология изготовления твердых сплавок 21
1.3.1. Получение порошкообразного металлического вольфрама ^ 21
1.3.2. Получение карбидов - ** 22
1.3.3. Приготовление смесей порошков карбидов
т^ с цементирующим металлом 24
1.3.1.1. Приготовление смеси в шаровых
мельницах л 26
1.3.3.2. Размол в аттриторах 27
1.3.3.3- Сушка распылением 28
1.3.3.4. Грануляция 30
1.3.4. Формование твердосплавных изделий 31
1.3.5. Спекание твердых сплавов 32 1.3.5-1. Структура г 34 1.3.5.2. Печи для спекания 36
1.4. Твердые сплавы в буровых долотах — 38
1.4.1. Сплавы для горных работ 38
1.4.2. Разрушение (бурение) горных пород 40
1.4.3. Вооружение шарошечных долот 44 1.4-4. Наплавочные твердосплавные материалы
{сплав рэлит) 47
1.4.5. Литые твердые сплавы и стержневые электроды.
Стеллиты и стелитоподобные сплавы 50
1.5. Технологический процесс получения твердосплавных
зубков Дуровых долот в ОАО <Фолтабурмага» 5'і
1.5.1. Исходное сырье 51
1.5.2. Технологический пронесе изготовления

карбидов вольфрама 52
1.5.2.1. Приготовление СДК 52
1.5.2.2, Карбидизация вольфрама 54
1.5.3. Приготовление гранулированных смесей 56
1.5.4. Прессование зубков 58
1.5.5. Спекание прессованных, заготовок 61 Ї .5.6. Шлифовка и галтовка 62
1.6. Задачи для диссертационного исследования 63
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАгШЯ 65
2.1. Материалы: сырье и вспомогательные материалы 65
2.1.1. Вольфрамовый порошок 65
2.1.2. Технический углерод 67
2.1.3. Оксид кобальта для производства
твердых сплавов 68
2.1.4. Кобальт металлический порошкообразный 69
2.1.5. Порошок карбида вольфрама 70 2,1 .6. Порошок карбида тантала 70

2.1.7. Гранулированный твердосплавный порошок 70
2.1.8. Парафин нефтяной 71
2.2. Методики исследования сырья и готовых изделий 72
2.2.1. Метод определения общего углерода 72
2.2.2. Метод определения предела прочности на изгиб 72
2.2.3. Методика проведения испытания циклической стойкости зубкои 73
2.2.4. Рентгенофазовый анализ 75
2.2.5. Метод растровой электронной микроскопия (РЭМ) 78
2.2.6. Система компьютерного анализа изображений 79
2.3. Технологическое оборудование 82
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОРОШКОВОГО СЫРЬЯ 88
3.1. Исследование порошка вольфрама 89
фракции 1,35 мкм 85
3-І .2. Исследование порошка вольфрама
з

фракции 4,0 мкм 91
3 Л .3. Исследование порошка вольфрама
фракции 6,1 мкм ' 92
3.1.4. Исследование порошка вольфрама
фракции 16,5 мкм ■ 95
3.2. Исследование порошка кобальта 97
F
3.3. Исследование порошка карбида вольфрама 101
3.3. L Исследование порошка карбида вольфрама
марки KB ■ 102
33.2. Исследование порошка карбида вольфрама
марки КД 103
3.3.3, Исследование порошка карбида вольфрама
марки КМ 105
3.4. Исследование гранулированной смеси , J12
3.5. Выводы 115
4. ВЛИЯНИЕ КОБАЛЬТОВОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ НА
ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЗУБКОВ 118
4Л. Исследование зубков из сплава ВК10 119
4.2. Исследование зубков из сплава ВК13 121
4.3. РЄНТГЄЕк)фазовый анализ 124
4.4. Выводы 125
5. УГЛЕРОДНЫЙ БАЛАТТС И ЕГО ВЛИЯНИЕ ПА КАЧЕСТВО
ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЗУБКОВ БУРОВЫХ ДОЛОТ 127
5.1. Результаты испытания зубков па ударную циклическую
стойкость 130
5.2. Исследование качества смеси для карбидизации (СДК) 132
5.3. Углеродный баланс в порошках карбида вольфрама
и его влияние па прочность твердого сплава 135
5.4. Исследование,и отработка режимов предварительного
спекания карбид о-вольфрамовых изделий 142
- твердосплавных изделий 149
5.6. Окончательное спекание твердосплавных изделий 152

5.7, Исследование операции спекания в вакуумно-комнрессионных печах фирмы "ALD Technologies"
5.8, Влияние углеродного баланса твердосплавных зубков на циклическую ударную стойкость
5.9, Выводы

158
' 164 167

6, ВЛРІЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ГРАФИТОВЫХ ЛОДОЧЕК НА УГЛЕРОДНЫЙ БАЛАНС ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЗУБКОВ
6. К Выводы ОСНОВНЫЕ ВЫВОДБ1 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ПРИЛОЖЕНИЕ А . ПРИЛОЖЕНИЕ К ПРИЛОЖЕНИЕ В ПРИЛОЖЕНИЕ Г

169 178 179 181 193 194 195 196

А
Л
*1Г
А
?

V

V

^

5

ВВЕДЕНИЕ
Буровые долота являются основным инструментом, с помощью которого ведется бурение скважин в нефтяной и газовой промышленности, на карьерах по добыче угля и руд черных металлов, а также в строительстве. Буровые долота предназначены для разрушений горной породы и образования ствола скважины, и работают в крайне тяжелых условиях. От работоспособности долота зависят основные технико-экономические показатели проходки скважины. В настоящее время наиболее распространены шарошечные долота [13-17]. Ими осуществляется около 98% всего разведочного и эксплуатационного бурения у нас в стране. Шарошечные долота представляют собой неразборную конструкцию, состоящую из сваренных между собой отдельных секций (лап), на цапфах которых смонтированы свободно вращающиеся на опорах конусообразные шарошки с породоразрущающими фрезерованными зубьями или вставными твердосплавными зубками в соответствии с рисунком 1 (на рисунке долото показано в перевернутом снизу вверх виде).
Типичный вид шарошечного долота в разборе

ПОДПЯТНИК
РАпап втули s Шар**
Третья
шврОшіа
У ПЛОТИЛ «П.
ни копыл
Занквдый палац

Корпус —
Ниппель
Эт&и

Бторзя
шара шла
Первая таро піка
Ляпа

Рисунок I
6

В России наиболее крупным предприятием по производству буровых
шарошечных долот является ОАО «Волгабурмаш» в Самаре [18]. Продукция
предприятия поставляется также в страны ближнего и дальнего зарубежья. В
условиях острой конкурентной борьбы с зарубежными производителями
буровых долот, не только на внешнем, по и на внутреннем рынке,
| первостепенное значение приобретает качество буровых долот, их
способность эффективно и надежно, без аварий работать при бурении [19-24].
В связи с этим большое внимание в ОАО «Волгабурмаш» уделяется
научно-техническим разработкам [25-33]. В' частности, разработаны и
используются при создании новых конструкций долот принципы научного
обоснованного выбора и проектирования новых видов вооружения шарошек,
сочетающихся с выбором наиболее эффективных схем и габаритов опор лап
и соответствующей схемы очистки забоя [25]. Внедрены. методы
компьютерного анализа напряженно-деформированного состояния деталей
буровых долот, а также технология селективной компьютерной сборки. [24],
Проведены сравнительные исследования металлургического качества сталей 4
буровых долот отечественного и зарубежного производства [29].
Однако многолетние исследования показывают, что работоспособность и безотказность долот определяется не только конструкцией, качестпом материалов и сборки долот, но и подбором оптимальных марок твердого сплава в зависимости от твердости буровой породы, а самое главное, качеством изготовления твердосплавного вооружения. Во многом такие показатели работоспособности долота как проходка, стойкость и механическая скорость зависят от свойств и качества изготовления твердосплавных зубков при работоспособной опоре скольжения или качения.
При бурении трехшарошечными долотами твердосплавные зубки подвергаются и основном двум видам разрушающего воздействия — трению в абразивной среде и циклическому ударному воздействию о породу, вызывающих, соответственно, абразивное изнашивание и усталостное разрушение (хрупкие сколы), лимитирующие долговечность
7

долот- Предпочтительным и оптимальным срабатыванием твердосплавных зубков при бурении является постепенный износ. Но в последние годы значительную долю в отработке твердосплавного вооружения стали занимать сколы и сломы зубков.
О прочностных свойствах зубков в условиях эксплуатации судят по результатам испытания их циклической ударной стойкости на специальном стенде [32, SO]. При этом было устаповлено, что при испытании зубков одного и того же типоразмера, изготовленных из одной партии твердосплавной смеси по одному и тому же технологическому процессу, показатели стойкости к ударным циклическим нагрузкам могут быть самыми разными: от нескольких десятков циклов до нескольких тысяч циклов до разрушения. Такое проявление нестабильности свойств твердосплавных зубков внутри одной партии не могло гарантировать надежную и длительную работу долота и создало критическую ситуацию для производства буровых долог- из-за падения цены и спроса на российском и международном рынках. Это и определило актуальность темы настоящей диссертационной работы, посвященной технологическому обеспечению стабильности циклической ударной стойкости твердосплавных зубков буровых шарошечных долот,
Цель работы и основные задачи исследований. Целыо диссертационной работы является выяснение причин нестабильности прочностных свойств твердосплавных зубков; анализ всего технологического процесса изготовления зубков, определение факторов, влияющих на качество изготовления зубков и на стабильность их свойств; разработка технологических мероприятий по устранению нестабильности циклической ударной стойкости зубков, обеспечению их высокой работоспособности в условиях эксплуатации.
Для достижения поставленной пели необходимо решить следующие задачи: 1. Провести сравнительные исследования параметров порошкового сырья (вольфрама и кобальта) различных производителей.
О

2. Исследовать однородность распределение углерода при изготовлении механической смеси для карбидизации (СДК) и в готовых карбидах.
3. Провести сравнительный анализ порошков карбида вольфрама и готовых твердосплавных гранулированных смесей.
4. Исследовать влияние кобальтовой неоднородности в спеченных
зубках на их ударную циклическую стойкость.
5. Исследовать влияние технологических параметров процессов
спекания твердосплавных зубков: предварительного с целью отгонки
пластификатора и окончательного на химический состав и физика-
механические свойства зубков.
6. Исследовать влияние химического состава (углеродного баланса) твердосплавных зубков на их циклическую ударную стойкость.
7. Исследовать влияние технологического покрытия для графитовых лодочек па углеродный баланс тиердосплавпых изделий.
™ 8. Обобщить результаты исследования и усовершенствовать технологический процесс изготовления твердосплавных зубков с целью обеспечения стабильности их прочностных свойств.
Научная новизна реіультатов исследований
L Впервые уделено особое внимание исследованию стабильности циклической ударной стойкости твердосплавных зубков - важнейшему критерию в обеспечении высокого уровня показателей работы буровых шарошечных долот,
2. Впервые при исследовании прочностных свойств твердого сплава ВК обращено внимание на то, что двухфазным сплав карбид вольфрама -кобальт является не только при стехиометрическом содержании углерода в карбиде (6,12 % масс), но и в некотором интервале около стехиометрии. Впервые исследована зависимость прочности твердого сплава от содержания углерода в нем внутри двухфачпой области диаграммы состояния сплава и определен интервал содержания углерода для обеспечения максимальной прочности твердого сплава.
9

3. Впервые установлено, что нестабильность показателя циклической ударной стойкости твердосплавных зубков обусловлена нестабильностью химического состава твердого сплава, нестабильностью содержания углерода в нем. ^/
4. Впервые современные методы растровой электронной микроскопии и ренттенофазового анализа применены для комплексного исследования качества исходного порошкового сырья, полуфабрикатов и конечного продукта - твердого сплава при производстве твердосплавных тубков,
5. Впервые с единой точки зрения обеспечения стабильности
химического состава твердого сплава проанализирован весь технологический
процесс изготовления твердосплавных зубков буровых шарошечных долот.
Практическая значимость результатов исследовании
L Установлен интервал содержания общего углерода в твердом сплаве ВК от 6,13-0,063х%Са до 6,13-0,059х%Си для обеспечения максимальной циклической ударной стойкости, твердо сплавных зубков,
2. Показано, что для обеспечения стабильности прочностных свойств
твердосплавных зубков необходимо обеспечить стабильность химического
состава твердого сплава, содержания углерода в нем (углеродный баланс),
3. Определены факторы, влияющие на стабильность углеродного
баланса в твердом сплаве па каждой операции технологического процесса
изготовления твердосплавных зубков и разработаны меры по обеспечению
стабильности углеродного баланса па каждой операции:
• исключение попадания крупных частиц в исходных порошках;
• получение хорошего качества смеси для карбидизации при обеспечении содержания общего углерода в узком интервале 6,00-6,07 % и расхождения Д^,05 % между проб анализам и;
• подшихтовка партий карбида вольфрама порошком углерода или вольфрама с приведением их к единому углеродному балансу 6Д2±0,01%;
• минимизация обезуглероживания твердого сплава при раздельном спекании за счет использования оптимального режима предварительного

спекания и минимизации или исключения нахождения изделии на воздухе между предварительным и окончательным спеканием;
• регулировка углеродного баланса любой марки твердого сплава и выведение его на нужный уровень при спекании по единому циклу в вакуумно-компрессионных печах за счет использования водорода пли аргона в качестве рабочего газа и соответствующих параметров предварительного спекания;
• использование нового состава технологического покрытия для графитовых лодочек, обеспечивающего защиту твердосплавных зубков от науглероживания и возникновения углеродной пористости во время спекания. '^
4. На основе разработки и реализации комплекса научно-
обоснованных мероприятий — решена задача технологического
обеспечения максимальной и стабильной циклической ударной стойкости
F
при производстве твердосплавных зубков буровых шарошечных долот.
5. Полученные в диссертации результаты использованы в ОАО
«Волгабурмаш» при составлении технологических инструкций:
№02265-00024 "Изготовление карбидов вольфрама. Взвешивание
компонентов"; №02265.00033 «Дозирование весовое, обработка порошков
измельчением в аттриторах»; №25265.00034 "Спекание твердосплавных
изделий", а также типового технологического процесса №02200.00108
"Изготовление твердосплавных зубков". v _
Апробация работы
Материалы диссертационной работы были представлены на следующих
конференциях; Международная научно-техническая интернет-конференция 1'Высокие технологии в машиностроении" (19Л 1.2006 -21Л 1.2006, г, Самара); XVI Международная научно-техническая конференция "Физика прочности и пластичности материалов" (Самара 2006г.),
Пу б л и ка цн и "^Ь-
Результаты диссертации опубликованы в 6 работах [34-36, 104-106].

Список літератури

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ БО ДИССЕРТАЦИИ
1. Показана актуальность задачи обеспечения стабильности
циклической ударной стойкости твердосплавных зубков, без решения
которой невозможно гарантировать надежную и длительную работу
шарошечных долот при бурении скважин.
2. Исследована зависимость прочностных свойств твердого сплава
зубков от содержания углерода в нем (углеродного баланса) внутри
двухфазной области диаграммы состояния сплава. Установлено, что эта
зависимость является сильной и для обеспечения максимальной и
стабильной прочности необходимо держать уровень углеродного баланса в
сплаве в определенном узком интервале.
3. Показано? что стабильность показателя циклической ударной
стойкости твердосплавных зубков обусловлена нестабильностью
химического состава твердого сплава, нестабильностью содержания
углерода в нем. г .
м
А. С точки зрения обеспечения стабильности химического состава твердого сплава, углеродного баланса в нем, проанализирован весь технологический процесс изготовления твердосплавных зубков буровых шарошечных долот,
5, С использованием методов растровой электронной микроскопии и
рентгенофазовоіЧ) анализа проведено сравнительное исследование
порошкового сырья разных производителей и порошковых
полуфабрикатов из этого сырья, В частности показано, что при попадании
крупных частиц в порошок вольфрама, карбидизация которых затруднена,
в конечном порошке карбида вольфрама остается свободный углерод.
6. Исследовано влияние неоднородности распределение кобальта в
спеченных твердосплавных зубках на их циклическую ударную стойкость.
Для повышения равномерности распределения компонентов смеси
179

г
внесены изменения в технологию приготовления гранулированных смесей і
карбида вольфрама с кобальтом.
7, Оптимизирован технологический процесс изготовления смеси для карбидизации (СДК), позволяющий получать полуфабрикат с хорошей однородностью компонентов и с оптимальным уровнем содержания общего углерода.
8. Оптимизирован технологический процесс изготовления карбида вольфрама операцией "подшихтовка". В зависимости от содержания общего углерода карбид вольфрама подшихтовывают порошком углерода технического или вольфрамом фракцией' 1,35 мкм, с целью получения , І карбида с оптимальным уровнем углеродного баланса.
9. Проведены исследоізаіїня операции спекания по так называемому
раздельному циклу. Найдено влияние параметров процесса спекания на
химический состав твердого сплава, нто позволило разработать некоторые
технологические подходы, позволяющие минимизировать процесс
обезуглероживания при спекании.
10. Исследованы, отработаны и внедрены в производство режимы
спекания по полному циклу на промышленных вакуумно-компресс ионных
печах, которые позволяют точно регулировать углеродный баланс любой , [
г
марки твердого сплава и гарантированно выводить его на необходимый ' уровень,
11. Разработан новый состав технологического покрытия для
графитовых лодочек, обеспечивающий защиту твердосплавных зубков от
науглероживания и возникновения углеродной пористости во время
спекания и позволяющий сохранять исходный химический состав твердого
сплава "при спекании.
12. В целом в диссертации решена задача научно-обоснованного
технологического обеспечения максимальной и стабильной циклической . і
ударной стойкости твердосплавных зубков буровых шарошечных долот.
180

^ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК fc
1. Анциферов, В.Н.. Бобров, Г,В,, Дружинин, Л.К. и др. Порошковая металлургия и напыленные покрытия: учеб. пособие / В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров, JLK. Дружинин и др. - Москва: Металлургия, 1987.-792с.
2. Кипарисов, С.С., Падалко, О.В. Оборудование предприятий порошковой металлургии: учеб, пособие / С.С. Кипарисов, О.В. Падалко. - Москва: Металлургия, 1988.- 448с. - ISBN - 5-229-00068-6.
3. Степанчук, А.Н., Билык, И.И., Бойко, П.А. Технология порошковой металлургии: учеб, пособие / А.Н. Степанчук, И.И. Билык, П.А, Бойко. - Киев: Выщашк. Головное изд-во, 1989.-415с.-TSBN-5-11-001378-0.
4. Либенсон, Г.А., Лопатин, В.Ю., Комарницкий, Г.В. Процессы порошковой металлургии. - В 2 т. Т.1. Производство металлических порошков: учеб. пособие / Г.А. Либенеон_. В.Ю. Лопатин, Г.В. Комарницкий. — Москва: МИСИС, 2001.- 368с. - ISBN- 5-87623-097^9.
5. Либенсон, Г.А, Лопатин, В.Ю., Комарницкий, Г.В. Процессы порошковой металлургии. - В 2 т. Т.2. Формование и епекание: учеб. пособие / Г.А. Либенсон. В.Ю. Лопатин, Г.В. Комарницкий. - Москва: МИСИС, 2001.-320с. - ISBN - 5-87623-098-7.
6. Манохин, А.И., Шоршороіз, М.Х. Развитие порошковой металлургии / А.И. Манохин, М.Х. Шоршоров. - Москва: Наука, 1988.- 77с. - TSBN -5-02-005963-5. "*
7. Бибиков, В.Я. Горизонты порошковой металлургии / В.Я. Бибиков. -Минск: Выща. шк., 1986.- 124с.
8. Yaverbaum, L.H. Новые процессы и материалы порошковой металлургии / L.H. Yaverbaum; пер. с англ. — Москва: Металлургия, 1983.-360с.
9. Skaupy, Т. Zur guschichtHchen Entwicklung der Smlerhartmctallc /
F. Skaupy -Mctallwirlsch, 1941.-Bd.20.-S.537-539.
" Ф

10. Skaupy, F. Dispersoid-chemische und verwandte Gesichtspunkt bei
Sintcrhartmetallen / F. Skaupy. - Kolloid-Z, 1942.- Т.1.- Bd.9S.- S.92-95;
1943.-T.2.-BcL102.-S.269-27I. ^*
IL Schedler, W. Hartmetall fur den Praktiker: Aufbau, Herstellung, Eigenschaften und mduslrielle Anwendung einer modernen Werkstoifgruppe / W. Schedler. - Dusseldorf: VDl-Verlag, 1988.