Содержание к диссертации
Введение
1. Твердые сплавы 13
1.1. Пути повышения свойств твердых сплавов 16
1.2. Современные технологии и оборудование в производстве твердых сплавов и изделий из них 19
1.2.1. Технологические режимы приготовления смесей 20
1.2.2. Прессование и прессовое оборудование 25
1.2.3. Нагревательное оборудование для производства твердых сплавов 30
1.3. Высокотемпературные карбиды и влияние условий получения порошков карбида вольфрама на свойства сплавов WC-Co 35
1.4. Составы, технология, свойства и области применения сплавов, изготовленных по высокотемпературной технологии 42
1.4.1. Технология получения отечественных буровых сплавов К, КС, С 43
1.4.2. Твердые сплавы в буровых долотах. Сплавы для горных работ 45
1.4.3. Вооружение шарошечных долот 47
1.5. Твердые сплавы для наплавки. Составы, технология, свойства. 49
1.6. Инструменты из твердого сплава 51
1.7. Твердые сплавы с особо мелким зерном 53
1.7.1. Наноструктурные и ультрамелкозернистые твердые сплавы 53
1.7.2. Особомелкозернистые сплавы ВК10-ОМ иВК15-ОМ 56
1.8. Технология нанесения износостойких покрытий как эффективный метод повышения ресурса твердосплавных инструментов
2. Материалы и методики исследования 64
2.1. Материалы: сырье и вспомогательные материалы 64
2.1.1. Технический углерод 64
2.1.2. Порошок кобальта 64
2.1.3. Порошок карбида вольфрама 65
2.1.4. Гранулированный твердосплавный порошок 66
2.1.5. Парафин нефтяной 66
2.1.6. Заготовки электродов из сплава ВМ 67
2.2. Методики исследования сырья и готовых изделий 68
2.2.1. Метод определения общего углерода 68
2.2.2. Метод определения насыпной плотности и текучести 69
2.2.3. Определение гранулометрического состава металлических порошков методом седиментации 72
2.2.4. Метод определения предела прочности на изгиб 74
2.2.5. Методика определения магнитных характеристик твердых сплавов 76
2.2.6. Методика проведения испытаний циклической стойкости зубков 78
2.2.7. Метод растровой электронной микроскопии (РЭМ) 79
2.2.8. Метод рентгеноспектрального анализа 80
2.2.6. Система компьютерного анализа изображений 80
2.3. Технологическое оборудование 83
3. Исследование влияния структуры и состава порошков карбида вольфрама на свойства твердых сплавов 89
3.1. Исследование структуры порошков карбида вольфрама 90
3.2. Испытания порошков карбида вольфрама в промышленных условиях 99
3.3. Исследование гранулометрического состава порошков карбида вольфрама 108
3.4. Выводы 113
4. Оптимизация технологических режимов производства суіідествующих буровых твердых сплавов 114
4.1. Оптимизация времени размола-смешивания твердосплавных смесей 114
4.2. Процесс сушки распылением твердосплавных смесей 122
4.2.1. Особенности технологии. Возможности повышения однородности микроструктуры в твердых сплавах 122
4.2.2.1. Исследование влияния новой добавки к пластификатору на технологические свойства твердосплавных смесей 126
4.2.2.2. Оптимизация режимов сушки распылением для улучшения прессуемости твердосплавных смесей 128
4.3. Усовершенствование технологии формования твердосплавных
зубков с целью получения более однородной микроструктуры 132
4.4. Выводы 139
5. Усовершенствование режимов спекания зернового твердого сплава и сплава вк10-ом 140
5.1.Оптимизация процесса изготовления зернового твердого сплава с целью улучшения эксплуатационных свойств
буровых долот 140
5.2. Исследование влияния условий спекания твердого
сплава ВК 10-ОМ на его структуру и свойства 146
5.3. Сравнительный анализ характеристик твердых сплавов ВК10-ОМиВК6С 155
5.4. Выводы 157
6. Разработка нового бурового твердого сплава с повышенной трещиностойкостью 158
6.1. Выводы 167
7. Повышение эффективности инструментальной оснастки из твердых сплавов 168
7.1. Исследование работы твердосплавной прессовой оснастки
и подбор оптимальной марки сплава для ее изготовления 168 7.2. Применение новой марки твердого сплава в производстве
отрезных резцов 171
7.3. Применение новых наноструктурных покрытий на
твердосплавных фрезах 176
7.4. Выводы 183
Основные выводы 184
Библиографический список
- Прессование и прессовое оборудование
- Гранулированный твердосплавный порошок
- Испытания порошков карбида вольфрама в промышленных условиях
- Исследование влияния новой добавки к пластификатору на технологические свойства твердосплавных смесей
Введение к работе
Актуальность работы
Буровые шарошечные долота наиболее широко применяются при бурении скважин для добычи нефти, а также в горнорудной и геологоразведочной отраслях. Основными характеристиками их работы при бурении являются механическая скорость, стойкость и проходка. Современная ситуация на рынке долот заставляет стремиться к повышению данных показателей, чтобы выдержать конкуренцию отечественных и иностранных производителей.
В зависимости от условий бурения применяются определнные типы шарошечных долот с различным вооружением. Например, при бурении мягких и средних пород используются шарошечные долота как со штыревым (с твердосплавными зубками), так и с фрезерованным вооружением (со стальными зубьями, наплавленными твердым сплавом). В последнее время все большую долю рынка нефтедобычи стали занимать долота PDC (Polycrystalline Diamond Сompact), оснащнные резцами из синтетического алмаза. Данный тип долот применим только при бурении мягких и средних пород, т.е преимущественно для нефтяных скважин, где они составляют вс большую конкуренцию шарошечным долотам.
Исследования по внедрению высокотемпературных карбидов
вольфрама в производство буровых твердых сплавов и контроль
углеродного баланса в них позволили частично повысить величину вылета
зубков над телом шарошки и решить проблему сколов. Но для того, чтобы
конкурировать с долотами PDC, нужно увеличивать показатели
механической скорости при бурении. Для этого необходимо продолжать
развиваться в направлении повышения агрессивности форм
твердосплавных зубков, а также стремиться к улучшению качества наплавки зубьев фрезерованных долот.
При добыче на горнорудных карьерах применяются только штыревые шарошечные долота, так как здесь происходит бурение крепких и особо крепких пород в особо жестких условиях. Разрушение породы при их работе происходит в основном за счет ударно-скалывающего действия вооружения. В данном случае применяются наиболее простые формы зубков со сферической и сфероконической рабочей частью и увеличение их агрессивности практически неприемлемо. Поэтому здесь очень важно поддерживать стабильно высокое качество твердосплавного вооружения,
так как в условиях бурения даже при потере одного зубка можно получить выход из строя целого долота.
Большую роль в процессе производства на любом
машиностроительном предприятии, в том числе и в ОАО «Волгабурмаш», играет оснащение инструментом. Общее количество твердосплавных инструментов, применяемых в механообрабатывающем производстве, достигает 40 %. Поэтому инструмент должен обладать достаточной стойкостью, к тому же большая часть оснастки покупается по импорту, что приводит к большим капиталовложениям предприятия.
В этих условиях актуальным является повышение эффективности
применения твердых сплавов в производстве буровых долот как за счет
повышения качества твердого сплава для армирования буровых
шарошечных долот (зубков и зернового наплавочного материала), так и за
счет импортозамещения и повышения стойкости твердосплавной
инструментальной оснастки, применяемой в производстве буровых шарошечных долот.
Цель работы и основные задачи исследований Целью диссертационной работы является исследование факторов, влияющих на качество изготовления твердосплавных зубков, зернового твердого сплава для армирования стальных зубьев фрезерованных шарошек, твердосплавного инструмента, а также разработка технических мероприятий по повышению качества и эффективности применения твердых сплавов в производстве буровых долот.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
-
Провести сравнительный анализа порошков высокотемпературного карбида вольфрама разных производителей. Исследовать влияние состава и структуры рассматриваемых порошков на свойства получаемых твердых сплавов.
-
Повысить характеристики существующих буровых твердых сплавов за счет разработки более совершенной технологии производства.
-
Оптимизировать процесс производства зернового твердого сплава, используемого для наплавки корпусов долот, с целью уменьшения дефектов в наплавленном слое и повышения износостойкости при бурении.
4. Исследовать влияние условий спекания твердого сплава с особо
мелким зерном ВК10-ОМ на его структуру и свойства. Провести
сравнительный анализ свойств твердого сплава ВК10-ОМ и бурового
сплава ВК6С производства ОАО «Волгабурмаш».
5. Разработать новую марку твердого сплава с повышенной
трещиностойкостью для увеличения механической скорости при бурении.
6. Исследовать возможности повышения стойкости инструментальной
оснастки из твердых сплавов за счет подбора оптимальной марки сплава.
7. Исследовать и испытать новейшие разработки в нанесении
наноструктурных покрытий на основе СВС-катодов на режущий
инструмент, применяемый в производстве буровых долот.
Научная новизна результатов исследования
1. Проведено сравнительное исследование свойств твердых сплавов на
основе высокотемпературных карбидов вольфрама разных производителей.
Выявлены существенные различия характеристик получаемых сплавов,
подтвержденные анализом структуры исходных порошков карбида
вольфрама методом растровой электронной микроскопии и
гранулометрического состава.
-
Показано, что при разных способах восстановления исходного порошка вольфрама можно получить значительно отличающиеся свойства твердого сплава, несмотря на то, что карбид вольфрама получен по высокотемпературной технологии. Таким образом подтверждается эффект наследственности в порошковой металлургии.
-
Установлены способы повышения технологических свойств (насыпная плотность, текучесть) твердосплавных смесей за счет внедрения новой добавки к пластификатору и подбора режимов сушки распылением для каждой марки сплава.
-
Показаны оптимальные технологические режимы производства твердосплавных зубков для повышения однородности их микроструктуры. Улучшение характеристик получаемых сплавов подтвердилось результатами ударной стойкости зубков после испытаний на стенде в ужесточенных условиях.
-
Установлены технологические способы получения однородной структуры наплавочного зернового твердого сплава за счет изменения исходного углеродного баланса и режима спекания.
6. Обоснована необходимость применения более крупнозернистого высокотемпературного карбида вольфрама при неизменном содержании кобальта с целью создания твердого сплава с высокой пластичностью без существенной потери износостойкости. Характеристики данного сплава позволяют создавать более агрессивные формы зубков для увеличения механической скорости при бурении без риска сколов и сломов.
Практическая значимость результатов исследований
-
Показано существенное различие свойств твердого сплава в зависимости от структуры и свойств исходного карбида вольфрама. Установлено, что для производства сплава высокого качества необходимо согласовывать способ получения исходного порошка вольфрама, а также гранулометрический состав получаемого карбида.
-
Впервые установлены технологические режимы процесса сушки распылением для каждой марки твердого сплава. Данное изменение внесено в технологическую инструкцию №25265.00029.
-
Внесены изменения по операциям смешивания и спекания зернового твердого сплава и шаров для мокрого размола в технологические инструкции №25265.00036 и №25265.00034
-
Переработаны технические условия на высокотемпературные марки карбида вольфрама для изготовления твердосплавных зубков с введением новых марок WC2 и WC11,5.
-
Переработаны технологический процесс №02265.00010 и инструкция №25265.00038 по изготовлению наплавочного зернового твердого сплава.
-
Разработана и введена в стандарт предприятия СТП 05749180-582-07 новая марка бурового твердого сплава ВК15К с повышенной ударной вязкостью для повышения механической скорости при бурении.
-
Изменена марка сплава для изготовления формообразующих пуансонов с ВК25 на ВК15С, что позволило повысить ресурс их работы.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы были представлены на
Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в
машиностроении» (22.10.2010-24.10.2010, г.Самара), Всероссийской
молодежной научной конференции «Металлургия и новые материалы»
(23.11.2010, г.Самара), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (22.11.2011-24.11.2011, г.Самара) и Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (02.07.2012 – 04.07.2012, г.Самара).
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в 10 работах, пять из которых в изданиях перечня ВАК.
Объм и структура диссертации
Диссертация изложена на 206 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков, 46 таблиц и состоит из введения, семи разделов, заключения, списка использованных источников (124 наименования) и четырх приложений.
Прессование и прессовое оборудование
Возникновение в конце двадцатых годов текущего столетия производства спеченных (или в первоначальной терминологии «металлокерамических») твердых сплавов было обусловлено развитием металлообрабатывающей промышленности, требующей применения все более производительных станков и инструментов. Появлению твердых сплавов способствовали в то время в основном два прогрессивных направления в технике: создание нового метода изготовления металлических изделий — «порошковой металлургии» и разработка способов получения весьма твердых металлоподобных веществ — карбидов (а также силицидов, боридов и нитридов) некоторых металлов, относящихся к числу переменных элементов Периодической системы: вольфрама, титана, тантала, ниобия, молибдена.
Метод порошковой металлургии остается единственно возможным, когда требуется создать сплавы (композиции), состоящие из компонентов, значительно различающихся по температуре плавления и когда наиболее тугоплавкие компоненты не должны быть подвергнуты плавлению в целях придания сплаву нужных свойств. Спеченные твердые сплавы представляют собой композиции, состоящие из твердых, весьма тугоплавких соединений обычно в сочетании со значительно более легкоплавкими металлами, носящими название «цементирующих» («связующих» или «вспомогательных»). Необходимые свойства и структура таких композиций достигаются при условии, что заранее изготовленные тугоплавкие компоненты (например, карбиды таких металлов, как вольфрам, титан, тантал) определенного состава не расплавляются в процессе изготовления сплава. При спекании смесей порошкообразных тугоплавких компонентов с порошками цементирующих металлов последние плавятся, растворяя иногда лишь небольшую долю твердых тугоплавких соединений.
Структура спеченных твердых сплавов гетерогенна — она состоит из частиц твердых соединений и участков цементирующего вещества. Размеры частиц твердой карбидной и более мягкой цементирующей фаз обычно достаточно малы и для большинства технических сплавов составляют 0,5—10 мкм. Известны также сплавы, состоящие только из твердых соединений и получаемые спеканием мелкозернистых порошков этих соединений [38, 60, 65, 68-72]. В 1926 г. впервые на рынке появились режущие пластины из твердого сплава Видиа N (Widia N, фирма «Видиа-Крупп», Германия).
К. Шротеру (Schroter) был выдан 30.03.1923 г. патент DRP 420.689. Действие этого патента, который рассматривается сегодня как основной патент по твердым сплавам, было продлено до 30.12.1925 г. Позднее Ф. Скаупу (F. Skaupy) был признан автором изобретения по использованию металлов группы железа, таких как железо, никель или кобальт, для твердого сплава.
Первые твердые сплавы в нашей стране были получены в 1929 г. под руководством Г.А. Меерсона и Л.П. Малькова на Электроламповом заводе (Москва). Изделия из твердого сплава под маркой «Победит» содержали 10 % Со [47].
Открытие твёрдых сплавов WC-Co в начале 20-х годов прошлого веки создало предпосылки для революционных изменений во многих областях техники, включая металлообработку, горное дело, машиностроение и т.д. Твёрдые сплавы WC-Co обладают уникальным сочетанием физико-механических свойств, главным образом, твёрдости и износостойкости, с одной стороны, и прочности, с другой стороны. В дальнейшие годы шли разработки новых сплавов, улучшение их свойств, модернизация оборудования для их производства и т.д.
В 2000 г., по данным Г. Гилле (ФРГ), в мире, исключая Китай, было произведено около 30000 т твердых сплавов. Потребность в новых разработках видна на примере производства тонко дисперсных твердых сплавов: в 2000 г. было произведено от 11500 до 12500 т субмикронных твердых сплавов, что составляет 40 % от общего объема выпуска твердых сплавов областям. В 2006 году объем производства этих сплавов возрос до 18 - 19 тыс. тонн, что свидетельствует о значительном увеличении спроса рынка на тонкодисперсные твёрдые сплавы. Прирост производства твердых сплавов в мире за год составляет более 5%. Годовой прирост производства твердых сплавов наиболее высокий в КНР и составляет приблизительно 12%. В 1986 году в СССР, производилось около 8 тысяч тонн твердых сплавов в год. В настоящее время в стране производится не более 2,5-3,0 тысяч тонн твердых сплавов. Большую часть сплавов сегодня выпускают ОАО «КЗТС», ОАО «Победит». Порошками карбида вольфрама они обеспечивают себя сами. При этом порошки крупностью менее 1,2-0,8 мкм в нашей стране в промышленном масштабе в настоящее время не производятся. Поэтому ряд отечественных производителей современного инструмента вынужден закупать за рубежом субмикронные и ультрадисперсные порошки карбида вольфрама
Реальный прогресс в расширении выпуска тонкодисперсных сплавов виден на примере роста производства микросверл: 140 т в 1985 г. из субмикронных сплавов с величиной зерна карбида вольфрама 1,2 мкм и 570 т в 2000 г., а в 2010 уже более 1200 т. из ультрадисперсных сплавов с величиной зерна карбида вольфрама 0,4 мкм. Это, в частности, связано с продолжающейся миниатюризацией в электронике. Также это относится к оптоволоконной технике, кабельной промышленности и другим бурно развивающимся отраслям.
Всего около 67 % от всего количества твердых сплавов используется в мире в режущем инструменте, в том числе и в обработке резанием особотвёрдых и абразивных материалов. Следующая большая область применения твердых сплавов - это горнобуровая индустрия, бурение на нефть и газ глубиной до 10 км, проход туннелей диаметром до 50 м, плоское резание дорожного полотна, камнеобработка (13 %), деревообработка (11 %), бесстружковая обработка металлов и конструкционные детали (9 %).
Динамика развития производства твердых сплавов может быть проиллюстрирована следующим фактом: в период 1979-1991 гг., т.е. за 12 лет, спрос в мире на режущий инструмент удвоился [47].
Таким образом, область порошковой металлургии - спеченные твердые сплавы - динамически развивается, и потребность промышленности в таких материалах постоянно растет.
Гранулированный твердосплавный порошок
Основное назначение наплавочных материалов: армирование фрезерованных зубьев шарошек буровых долот и упрочнение козырьков лап с целью повышения износостойкости.
Материал наплавленного покрытия противостоит следующим видам износа: абразивному, ударно-абразивному, химическому, эрозионному, кавитационному, коррозионному, износу трением и др.
Масса материала, наносимого на деталь, невелика - 2...6 % от массы детали (при напылении еще меньше), отсюда вытекает экономическая эффективность наплавки, так как износостойкость детали увеличивается в 2-10 раз и больше, простои оборудования на ремонт уменьшаются.
В ряде случаев для наплавки применяют порошковую проволоку (11І1) или ленту (ПЛ). Проволоку (диаметр 3 мм) получают волочением свернутой мягкой стальной ленты, заполненной наплавляемой шихтой требуемого состава, а ленту -прокаткой. Процесс наплавки осуществляется на автоматах аналогично тому, как и при использовании электродов или порошковых смесей. Свойства и структура покрытия определяются составом материала, засыпанным в свернутую стальную трубку.
Наплавочный сплав рэлит производится твердосплавной измельченного литого карбида вольфрама. В зависимости от фракционного состава существуют четыре марки рэлита: рэлит-1 (0,55...0,80 мм); рэлит-2 (0,35...0,55 мм); рэлит-3 (0,25...0,35 мм); рэлит-4 (0,18...0,25 мм).
Процесс изготовления зернового рэлита достаточно трудоемок. Шихту, состоящую из порошка вольфрама и 15% крупных отходов рэлита загружают в графитовый стакан, а затем помещают в печь сопротивления с графитовой трубой, в которой происходит нагрев до 3000...3200С. В процессе нагрева происходит науглероживание вольфрама, образуются карбиды W2C, WC и эвтектика W2C-WC. Плавку ведут на воздухе под флюсом. Далее выдержка при температуре 3000С и разлив в графитовые разборные пресс-формы. Полученные отливки очищают и размалывают в щековой дробилке. Конечная операция -рассев по фракциям. Отходы, полученные при рассеве возвращаются на шихтовку.
Форма зерен готового литого карбида вольфрама должна быть равноосной, микротвердость должна соответствовать 20-24 ГПА.
Наиболее перспективным из наплавочных материалов сегодня является сферический карбид вольфрама, состоящий из карбида вольфрама и эвтектики WC2-WC.
Прочность частиц сферической формы возрастает с увеличением размера частиц. Для наплавки обычно используют зерна размером 0,5 мм, поэтому преимущества сферического рэлита очевидны. Степень неоднородности порошков характеризуется коэффициентом вариации; чем он выше, тем менее однороден по своей прочности порошок. Коэффициент вариации разрушающей нагрузки сферического рэлита - 32,5 %, дробленого - 52%.
Характер разрушения сферических и дробленых гранул рэлита при статической нагрузке существенно различен. В первом случае разрушение носит «взрывной» характер, гранула разлетается на мелкие осколки, во втором - разрушение происходит более спокойно, зерно разделяется на 2...4 части. Можно предположить, что такой характер разрушения связан с развитием имеющихся дефектов в дробленных зернах (микротрещины, неоднородность структуры, поры и др.).
Сферический рэлит принципиально новый материал, и его применение в качестве наплавки позволяет повысить стойкость ответственных деталей и сократить расход дефицитного и дорогостоящего сырья. Покрытие поверхностей деталей сферическим рэлитом осуществляется разными способами: плазменно-порошковой и аргонно-дуговой наплавкой, печной пайкой и др. Для защиты зерен от перегрева, окисления и растворения на них могут быть нанесены барьерные металлические покрытия [40].
Наплавка сферического рэлита особенно эффективна для упрочнения бурового инструмента: долот, замков бурильных труб, зубьев роторных комплексов, деталей оборудования для измельчения пород с высокой крепостью. Наваренный на буровое долото, каждый кусочек рэлита играет роль режущего инструмента, получается как бы многолезвийный инструмент, что существенно повышает производительность.
Основным преимуществом применения рэлита является то, что при наплавке он остается в твердом состоянии, и свойства его практически не меняются в отличие от твердых сплавов и других наплавочных материалов.
Испытания порошков карбида вольфрама в промышленных условиях
Печь предварительного спекания (депарафинизации) «General Electric» непрерывного действия толкательного типа с водородной атмосферой, состоит из 4-х нагревательных зон. Печь предназначена для удаления из прессованных заготовок пластификатора (парафина) и упрочнения для проведения механической обработки перед операцией окончательного спекания.
Печь депарафинизации - это низкотемпературная печь, в которой стальной толкатель с зубчатой передачей передвигает графитовые поддоны с изделиями с определенным режимом продвижки по всей длине печи, постепенно нагревая изделия до температуры 550 С.
В данной печи можно вести процесс с двумя режимами продвижки графитовых поддонов: 9,6 мм / мин и 19,2 мм / мин. Это позволяет производить обработку изделий крупных и средних габаритов.
Печь окончательного спекания «General Electric» непрерывного действия толкательного типа с водородной атмосферой, состоит из 3-х нагревательных зон.
Служит для окончательного спекания изделий из сплава карбида вольфрама и кобальта, прошедших операцию депарафинизации. Печь предназначена для окончательного спекания заготовок прессовой оснастки, шаров для мокрого размола и зернового твердого сплава.
Печь имеет 3 секции: входную часть, секцию нагрева (находится внутри керамического муфеля) и выходную часть. Входная часть служит для загрузки продукции, секция нагрева служит собственно для термообработки. Выходная часть вставлена в стальной кожух, охлаждаемый водой, для остывания спеченной продукции. Процесс спекания продукции производится с применением защитной засыпки, специального песка-электрокорунда. Эта засыпка защищает изделия от подгорания, обезуглероживания, а также припекания между собой.
Печь окончательного спекания по конструкции аналогична печи депарафинизации и также имеет 2 режима про движки графитовых поддонов : 9,6 мм / мин и 19,2 мм / мин. Максимальная температура спекания 1480 С.
Печь вакуумного спекания Vacuum Industries 24x18x36 -печь электросопротивления горизонтального типа периодического действия с графитовыми нагревателями. Применяется для окончательного спекания изделий из сплава карбида вольфрама и кобальта, прошедших операцию депарафинизации. Максимальная температура спекания - 1500С Печь оснащена блоком вакуумных насосов, создающих вакуум в процессе спекания до 6,5 Па.
Конструкция печи включает в себя нагревательную камеру с экранирующим кожухом, у которого к внутренней поверхности прикреплена изоляция из графитового войлока. Войлок удерживает тепло внутри печи. Сама печь охлаждается за счет водяной рубашки.
Вес максимальной загрузки около 300кг. Спекание изделий из сплава карбида вольфрама и кобальта ведут в специальном графитовом контейнере. Процесс ведется в автоматическом режиме, продолжительность процесса около 12 часов. В данной печи проводится спекание гидромониторных насадок или заготовок прессовой оснастки после их механической обработки
Вакуумная печь для спекания под давлением (газостатированием) VKPgr 50/50/90 и VKPgr 50/50/150 фирмы ALD. Представляет собой горизонтальную печь периодического действия с нагревом электросопротивлением с тремя независимо регулируемыми тиристорными блоками нагревательными контурами для обеспечения максимальной равномерности температуры.
В установке посредством удаления пластификатора при пониженном давлении аргона или при избыточном давлении водорода проводится в одном цикле освобождение твердых сплавов от чистого парафина и пчелиного воска, вакуумное спекание и непосредственно после этого, окончательное уплотнение при температуре спекания.
В режиме спекания с газостатированием рабочее давление составляет до 5,8 МПа аргона. Цилиндрический графитовый муфель, оснащенный закрывающимися графитовыми крышками, ограничивает собственный полезный объем печи и обеспечивает равномерный нагрев обрабатываемых изделий.
Установка оснащена блоком вакуумных насосов - форвакуумного и насоса Рута, создающих минимальный уровень вакуума порядка 3 Па.
Максимальная масса загрузки составляет: для установки VKPgr 50/50/90 -750 кг, VKPgr 50/50/150 -1500 кг. Цифры 50/50/90 и 50/50/150 обозначают размеры муфеля на свету в дециметрах.
Процесс спекания полностью автоматизирован, управление производится с помощью компьютера.
Прокатный стан предназначен для производства трубчатых наплавочных электродов для наплавки корпусов буровых долот.
Состоит из :1) электропривода; 2) редуктора; 3) верхних и нижних роликов с формующими пазами; 4) выгрузочного узла, включающего в себя отрезные резцы. Дополнительно в схеме получения наплавочных электродов задействованы: 1) загрузочное устройство в которое подается шихта наплавочного материала; 2) узел для подачи стальной ленты.
Исходная шихта подается на транспортер и засыпается в ленту. За счет продольной подачи ленты и необходимого набора конфигурации пазов на роликах происходит постепенное закручивание порошка в ленту, а затем на выходе из прокатного стана отрезные резцы отрезают полученную трубку в установленный размер и одновременно обжимают концы полученных электродов во избежание высыпания шихты.
Исследование влияния новой добавки к пластификатору на технологические свойства твердосплавных смесей
При операции «дозирование весовое» для изготовления твердосплавной смеси используются основные компоненты: порошки карбида вольфрама и кобальта в определенных соотношениях согласно технологическому процессу.
В состав смеси также вводятся вспомогательные компоненты - парафин и пчелиный воск. Оба компонента растворяются в изогексане в процессе мокрого размола. Парафин выполняет роль пластификатора при прессовании твердосплавных изделий, а воск непосредственно влияет на процесс образования гранул во время сушки распылением. Воск применяется, как компонент снижающий трение и улучшающий смачиваемость частиц порошка.
В условиях производства ОАО «Волгабурмаш» пчелиный воск, в отличие от остальных компонентов смеси, не проходит входной контроль и поступает в цех с частных пчелиных пасек. Чистота данного продукта не проверяется.
Поэтому, чтобы исключить влияние каких-то возможных загрязнений в пчелином воске, было принято решение испытать в качестве добавки к парафину кислоту стеариновую. Этот продукт был выбран для испытаний в связи с тем, что он очень схож по своей органической структуре с пчелиным воском, а также химически чист. Работы по применению стеариновой кислоты при прессовании порошков проводились и раньше [52].
Целью проводимой работы стало изучение влияния стеариновой кислоты на технологические свойства твердосплавных смесей (текучесть, насыпную плотность) и их прессуемость.
Вначале образец новой добавки проверили на растворимость в размольной жидкости, для чего поместили его в банку изогексаном на короткое время, периодически взбалтывая содержимое. По прошествии одного часа весь образец растворился в изогексане без остатка. Теперь можно было с уверенностью приступать к испытанию на промышленной твердосплавной смеси.
Было изготовлено 3 опытных партии твердосплавной смеси ВК10С. Партии ВК10С №107.01, 109 и 160 были изготовлены с добавлением стеариновой кислоты вместо воска пчелиного в необходимом количестве 0,5%(масс) шихты согласно технологическому процессу. Все партии были изготовлены по стандартным технологическим режимам.
Из полученных данных видно, что партии смесей, полученные с добавлением стеариновой кислоты, имеют лучшие технологические характеристики, чем серийные партии твердосплавных смесей. Насыпной вес увеличился на 11%, текучесть смеси уменьшилась на 10,5%. Что касается прессуемости твердосплавных смесей, то следует отметить, что в процессе формования зубков из партий ВК10С №107.1,109 и 160 проблем нестабильности массы навески порошка, наличия трещин на прессованном изделии обнаружено не было.
После отработки еще нескольких партий твердосплавных смесей с применением стеариновой кислоты был сделан промежуточный вывод: смеси с применением новой добавки имеют улучшенные технологические свойства по сравнению с серийными. В настоящее время нами продолжаются испытания данной добавки для решения по ее внедрению в технологию производства твердосплавных зубков.
Известно, что для получения гранул нужного размера пульпа должна иметь определенную вязкость. Форма, угол и высота распылительного конуса строго контролируется, чтобы суспензия не разбрызгивалась на стенки камеры [40, 79].
Для прессования твердосплавных изделий получаемые гранулы должны иметь однородный состав и размер около 120 мкм (не 8 %, 63 мкм).
Как уже рассматривалось выше, периодически в процессе изготовления крупных зубков или зубков сложной формы возникали проблемы на операции прессования. В основном это проблемы с нестабильной навеской, а также с периодическим образованием трещин на рабочей части зубка. Такие партии смесей приходилось возвращать на участок приготовления смесей для доработки путем просева и галтования, что приводило к длительным потерям времени. Эти факты говорят о том, что данные проблемы, скорее всего, связаны с неоднородным размером гранул в смеси. Основными факторами, влияющими на размер и однородность гранул твердосплавной смеси на операции сушки распылением являются: давление распыления и диаметр дюзы (форсунки) в распылительной головке.
Исследования проводились на партии твердосплавной смеси ВК10С массой 600 кг. Данная смесь подвергалась мокрому размолу в среде изогексана по технологическому режиму. Затем полученная пульпа из 3-х аттриторов перекачивалась в промежуточную емкость для усреднения всей смеси. После смешивания начальное давление распыления составляло 7 Бар с дюзой диаметром 1,9 мм. Затем в процессе распыления давление менялось с обязательным отбором пробы.
