Твердыми сплавами с высокими показателями износостойкости, называют несколько групп тугоплавких (Т плавления 850-1300°C) соединений на базе зерен карбидов вольфрама, титана, тантала и некоторых других металлов, прочно соединенных при помощи относительно вязкого кобальта. Регламентирующими актами для определения химического состава и рабочих характеристик данных материалов являются соответствующие ГОСТы и ТУ (в частности, ТУ 48-19-60-78, ТУ 48-19-154-92 и др.).
Технология изготовления
В технологическом отношении твердые сплавы подразделяют на спеченные (металлокерамические) и литые (наплавочные).
Производство спеченных вольфрамо-кобальтовых сплавов осуществляется путем смешивания в определенных пропорциях дисперсных порошков оксидов вольфрама и кобальта, а при необходимости – и легирующих добавок. После этого смесь прессуют при высоком давлении (1200-4500 кгс/см2 и более). Затем полученный полуфабрикат спекают в электрической печи до формирования сплава твердостью не менее HRA = 85 и устойчивостью к температурам до 1300 °C. Металлокерамические сплавы очень трудно поддаются механическим воздействиям и обрабатываются, главным образом, методами лазерной/ультразвуковой шлифовки либо травления в кислотной среде.
Для изготовления литых твердых сплавов применяют метод литья. После наплавки на горный инструмент их подвергают финишной механической и термообработке.
С применением спеченных и литых твердых сплавов, благодаря их твердости, тугоплавкости и устойчивости к износу, изготавливают в обширной номенклатуре, различное буровое и горное оборудование.
Основные группы и марки
Существует 3 важнейшие группы вольфрамосодержащих сплавов, подразделяемых, в свою очередь, на марки.
- Группа однокарбидных вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов ВК (WC + Co). За буквой К следует цифровое обозначение, указывающее на процент содержания кобальта.
- Группа двухкарбидных титано-вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов ТК (WC + TiC + Co). Цифра после буквы Т обозначает % карбида титана, а после буквы К – кобальта.
- Группа трехкарбидных титано-тантало-вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов ТТК (WC + TiC + TaC + Co). Цифровое значение после ТТ указывает на % карбидов титана и тантала, а после К – кобальта.
Как видим, базовую основу всех перечисленных групп составляют карбид вольфрама с связке кобальтом. Карбиды титана и тантала добавляются с целью придать сплаву ряд определенных дополнительных свойств. Для установки на горный и буровой инструмент применяют марки с содержанием кобальта 3-15% (на базовой основе сплавов ВК3, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15).
Наличие тех или иных рабочих характеристик твердосплавного инструментария зависит не только от химического состава сплава, но и от размеров зерен карбидов в его структуре: чем крупнее зернистость, тем выше показатель прочности и ниже – износостойкости.
Использование твердых сплавов в буровой и горной технике
Твердосплавный горный и буровой инструмент – важнейшая функциональная составляющая породоразрушающей спецтехники, предназначенной для:
- разведки/добычи сырьевых ресурсов;
- подземной либо открытой (карьерной) разработки грунта;
- строительных работ различной направленности.
До внедрения твердосплавного породоразрушающего инструмента приходилось использовать аналогичную продукцию из быстрорежущих сталей, в десятки раз менее эффективную.
В настоящее время для разработки пород задействуется, главным образом, горное и буровое оборудование с режущими/ударными компонентами из сплавов группы ВК на вольфрамо-кобальтовой основе. Его технические параметры регламентируются требованиями ГОСТ 4411-79 «Изделия твердосплавные для горного инструмента. Технические условия», формы и габариты – ГОСТ 880-75 «Изделия твердосплавные для горного инструмента. Формы и размеры». Формы твердосплавных породоразрушающих профилей горного оборудования могут быть различными, имея сферическую, клиновидную, коническую, полукруглую либо сложную фасонную конфигурацию. В каждом случае формообразующим фактором является стремление к оптимальной производительности и надежности процесса разработки горных пород конкретных типов.
Твердосплавный буровой и горный инструмент, включая применяемый для обустройства крупномасштабных подземных объектов, по способу изготовления можно подразделить на два основных типа.
- Инструментарий с напаянными рабочими кромками из спеченных сплавов в составе врубовых фасонных и полых породоразрушающих коронок для угле- соледобычи, перфорационных буров, зубковых штырей и т.п.
- Инструмент с наплавляемыми методом сварки породоразрушающими кромками из литого сплава в составе крупногабаритных станов для глубинного ударного, вращательного и кольцевого бурения – долота, коронки, кольцевые фрезы и т. д.
В состав номенклатуры горного оборудования включены разновидности следующих твердосплавных элементов:
- пластин породоразрушающих коронок крестообразной и долотчатой формы для буровых агрегатов перфораторного и пневмоударного типа;
- армирующих штыревых зубков для погружного перфораторного инструмента, а также долот для шарошек и бурильных сверл;
- армирующих резцовых наконечников, используемых при вращательном бурении, а также для оснащения такого горного оборудования, как угледобывающие и соледобывающие комбайны, различная землеройная техника.
Твердосплавный буровой инструмент
Нагрузочная схема твердосплавных компонентов бурового оборудования зависит от того, каким из способов осуществляется буровой процесс. Наиболее востребованными в настоящее время являются следующие способы бурения:
- вращательный;
- ударно-поворотный;
- ударно-вращательный;
- шарошечный.
Процесс вращательного бурения обычно выполняется с применением ассортимента буровых коронок двухлезвийного либо кольцевого типа. При ударно-поворотном способе используют различные виды долотчатых, трехперых и крестовидных коронок призматической и цилиндрической конфигурации с твердосплавными клинообразными режущими кромками. Ударно-вращательный способ характеризуется использованием призматических и цилиндровидных корончатых головок с ассиметричным расположением лезвия. Наконец, шарошечное бурение осуществляется с применением специальных твердосплавных шарошечных долот.
Породоразрушающие агрегаты стругов, врубовых комбайнов и выемочных машин оборудуются радиальными, радиально-торцевыми, тангенциальными и вращающимися резцами из твердых сплавов.
Рисунок 1. Долото для бурения.
Твердые сплавы на основе вольфрама и кобальта, характеризуясь сочетанием целого ряда полезных свойств (высокая твердость, износостойкость, прочность, тугоплавкость), на сегодняшний день не знают себе равных в производстве обрабатывающего инструмента. Их значение для горнодобывающей промышленности трудно переоценить. Вот почему в современных условиях востребованность сплавов типа ВК по-прежнему остается стабильной: они все так же необходимы при разработке даже самых высокотехнологичных образцов породоразрушающего оборудования.
