К.т.н. Барило І.Г., к.т.н. Пітулей Л.Д., к.т.н. Роп’як Л.Я.,

інж. Павленко Т.В., інж. Білінський В.М.

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Дослідження перехідної зони комбінованих зубків

«твердий сплав-сталь»

Продуктивність і собівартість бурових робіт в значній мірі визначається якістю і працездатністю породоруйнівного інструменту (шарошкових бурових доліт, калібраторів і центраторів).

Для озброєння породоруйнівних інструментів широко застосовують монолітні твердосплавні зубки, на виготовлення яких витрачається велика кількість дефіцитного карбідовольфрамового сплаву. За існуючої на виробництві технології виготовлення монолітних твердосплавних зубків твердий сплав використовується нераціонально. В процесі роботи породоруйнівних інструментів у руйнуванні гірської породи бере участь лише виступаюча над корпусом інструмента частина зубка, а більша його частина, яка запресована в корпус інструмента, виконує функцію державки.

Застосування комбінованих зубків «твердий сплав – сталь», в яких із твердого сплаву виготовляється тільки робоча частина, а державка – зі сталі, дозволить майже на 70% зменшити витрати дефіцитного та дорогого твердого сплаву. Отримати надійне з’єднання твердого сплаву зі сталлю можна методом дифузійного зварювання, однак застосування цієї технології виготовлення комбінованих зубків забезпечує малу продуктивність і вона дороговартісна.

Перспективною в цьому плані є технологія виготовлення комбінованих зубків методом механотермічного формування. В зв’язку з цим створення ресурсозберігаючої технології виробництва твердосплавних зубків без погіршення їх експлуатаційних характеристик є важливим завданням науково-технічного прогресу в галузі виробництва породоруйнівних інструментів.

Метою дослідження є встановлення опору комбінованих зубків ударним навантаженням, найбільш характерному для роботи основних вінців шарошкових доліт. Особливу увагу приділяли дослідженню перехідної зони для забезпечення надійного з’єднання твердого сплаву зі сталлю при сприйнятті ударних навантажень.

В якості об’єкту дослідження було вибрано твердий сплав марки ВК12-КС, який використовується на практиці для виготовлення озброєння бурового інструменту. Основою (державкою) комбінованого зубка служила вуглецева сталь 45 і сталь 18ХН3МА. Комбіновані зубки формували таким чином. Струмоізолюючий циліндр встановлювали на нижньому нерухомому електроді. В отвір цього циліндра спочатку вставляли сталеву заготовку державки зубка, твердий сплав і зверху – формуючий електрод, до якого прикладали зусилля пресування. Між цими електродами пропускали імпульс струму для формування комбінованого зубка.

Теплофізичні особливості методу механотермічного формування при з'єднанні твердих сплавів зі сталлю зумовлюють дифузійні процеси в перехідній зоні, які можуть призвести до утворення порожнеч у цій зоні, зміні хімічного складу, утворенню крихких інтерметалевих сполук. Властивості та розміри перехідної зони комбінованого зубка в значній мірі визначають його здатність чинити опір ударним навантаженням.

В процесі з'єднання твердого сплаву ВК12-КС зі сталлю 45 між ними

утворюється перехідний шар товщиною 300 мкм, який відрізняється

властивостями і складом від матеріалів, що з’єднуються.

Рентгенострукторним аналізом встановлено, що кристалічна гратка фази, що утворилася, аналогічна кристалічним граткам W₃Cо₃C . Це свідчить про те, що у формуванні перехідної зони беруть участь всі елементи матеріалів, що з’єднуються.

Наявність η–фази W₃Cо₃C у перехідній зоні свідчить про зневуглецювання приконтактного шару твердого сплаву в результаті дифузії вуглецю за рахунок існування градієнта концентрацій вуглецю в сталі та твердому сплаві при високошвидкісному нагріванні. Підтвердженням цього є мікротвердість приграничних областей сталі 45, що досягає 8050 МПа.

При нанесенні твердого сплаву ВК12-КС на сталь 18ХН3МА було

встановлено, що в зоні з'єднання утворюється перехідний шар меншої товщини (до 200 мкм), ніж при наплавленні на сталь 45, тобто процеси дифузії вуглецю протікають менш інтенсивно. Це пояснюється структурою даних сталей.

Як показали результати випробовувань комбінованих зубків при ударно-втомному зношуванні деякі зубки руйнувалися по перехідній зоні. Це пояснюється великою шириною перехідної зони (150-300 мкм) і наявністю інтерметалевих сполук у ній. Для усунення цього недоліку було запропоновано використовувати нікель в якості проміжного шару.

При механотермічному формуванні комбінованих зубків з використанням в якості проміжного шару з фольги нікелю в результаті взаємної дифузії елементів, що з’єднуються, утворюється вужча перехідна зона. У її формуванні беруть участь всі елементи матеріалів, що з’єднуються.

Як показали результати мікрорентгеноспектрального аналізу перехідної зони комбінованих зубків (твердий сплав – нікель – сталь), нікель дифундує в твердий сплав на глибину 30-35 мкм, а в сталь – на глибину 20 мкм.

При використанні нікелевого прошарку товщиною 0,01 мм може відбутися його розрив. На підставі проведених досліджень в якості основи для комбінованих зубків рекомендується використовувати сталь 18ХН3МА з нікелевим прошарком товщиною 0,05 мм.

Література:

1. Теоретические предпосылки создания комбинированного зубка методом механотермического формирования / Гинзбург Э.С., Барыло И.Г., Резник Л.А. и др. В сб. «Повышение эффективности технологических процессов газонефтяной и газовой промышленности путем обеспечения долговечности оборудования и инструмента». Труды МИНГ, вып. 202. – М.: МИНГ им. И.М.Губкина, 1987. – С.25 - 37.

2. Пітулей Л.Д. Інтенсифікація процесу ущільнення в перехідних шарах (капілярах) армованого об’єму вставного зубка шарошки бурового долота з допомогою вібрації // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. – 2005. - № 2 (15). – С.63 – 66.