Способ закалки твердого сплава на основе карбида вольфрама

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу закалки твердых сплавов на основе карбида вольфрама для бурового инструмента. Сплав нагревают до температуры выше 1100°С и охлаждают в 6-11% водном растворе Бреокс Термо А на основе сополимеров этиленгликоля и полипропиленгликоля. Способ позволяет повысить твердость сплава и эксплуатационную стойкость инструмента.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способу закалки твердых сплавов на основе карбида вольфрама, которыми оснащают буровой инструмент.

Одним из методов упрочнения твердых сплавов является закалка, позволяющая фиксировать структурные изменения, которые происходят во время нагрева. При закалке до недавнего времени в качестве охлаждающей жидкости использовали минеральные масла [1]. В настоящее время для закалки твердых сплавов рекомендуется применять синтетические закалочные среды [2, 3], так как закалка твердого сплава в индустриальных маслах значительно ухудшает экологическую обстановку в цехе, а также существенно удорожает себестоимость термообработанного сплава. Применение в качестве закалочной жидкости 10% водного раствора полимера ПК-М при закалке твердого сплава приводит к снижению себестоимости термообработанного сплава в 7-10 раз и улучшает экологию в цехе, однако он менее стабилен и долговечен в условиях эксплуатации, имеет более узкий рабочий диапазон рабочих температур: (+18÷40°С) вместо (+18÷55°С) у Бреокс Термо А, стоимость 10% водного раствора полимера ПК-М в 2 раза дороже 8% водного раствора Бреокс Термо А, в котором предлагается калить твердый сплав на основе карбида вольфрама.

Наиболее близким техническим решением является закалка твердого сплава ВК10КС, нагретого выше 1100°С, и его охлаждение в 10% водном растворе полимера ПК-М [3]. При этом закалка в полимере твердого сплава способствует повышению его эксплуатационной стойкости.

Однако известный способ закалки имеет следующие недостатки. Водные растворы полимеров ПК-М менее стабильны в условиях эксплуатации (особенно до температуры +150°С) и менее долговечны в применении, при длительном хранении не всегда сохраняют стабильные свойства, имеют более узкий рабочий диапазон рабочих температур (+18÷40°С) вместо (+18÷55°С) у Бреокс Термо А, иногда сохраняется остаточная деформация твердого сплава после закалки и пенообразование, стоимость 10% водного раствора полимера ПК-М в 2 раза дороже 8% водного раствора Бреокс Термо А.

Задачей предложенного способа закалки твердого сплава на основе карбида вольфрама является повышение эксплуатационной стойкости бурового инструмента за счет дополнительного растворения вольфрама и углерода в кобальтовой связующей, которое фиксируется закалкой в водном растворе Бреокс Термо А на основе сополимеров этиленгликоля и полипропиленгликоля и повышает твердость сплава, а также закалка твердого сплава в Бреокс Термо А на основе сополимеров способствует улучшению структуры твердого сплава: уменьшается величина зерен карбида вольфрама (WC) и округляются их границы. Кроме того, закалка твердого сплава в водополимерном растворе Бреокс Термо А существенно удешевляет себестоимость термообработки, улучшается экология в цехе.

Сущность состоит в том, что в способе закалки твердого сплава на основе карбида вольфрама, включающем нагрев сплава под закалку выше 1100°С и охлаждение в закалочной среде, в качестве закалочной среды используют 6-11% водный раствор Бреокс Термо А на основе сополимеров этиленгликоля и полипропиленгликоля.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что в качестве закалочной среды используется 6-11% водный раствор Бреокс Термо А на основе сополимеров этиленгликоля и полипропиленгликоля. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна». Бреокс Термо А на основе сополимеров этиленгликоля и полипропиленгликоля не содержит веществ, которые могут нанести вред здоровью и окружающей среде, а также не может приводить к образованию газов, паров и аэрозолей, является негорючей, не агрессивной в коррозионном отношении жидкостью, поэтому ее эксплуатация не требует специальных средств защиты обслуживающего персонала и оборудования. Концентрация сополимеров этиленгликоля и полипропиленгликоля в растворе (6-11%) определялась, исходя из результатов охлаждающей способности сополимеров в сравнении с кривыми охлаждения масла И-20А. При этом за основу выбирался водный раствор с концентрацией, кривая охлаждения которого совпадала с кривой охлаждения масла или максимально приближалась к ней.

Предлагаемый способ закалки твердого сплава на основе карбида вольфрама (ВК10КС, ВК15КС, ВК8КС, ВК8) в 6-11% водном растворе сополимеров этиленгликоля и полипропиленгликоля производства ООО «ВПО Волгохимнефть» (концентрат водополимерной закалочной среды Бреокс Термо А изготавливают в соответствии с техническими условиями ТУ 2422-003-34686523-2003) реализован следующим образом. Предварительно перед закалкой производят приготовление закалочной среды непосредственно в закалочном баке или в специальной емкости, оборудованной системами «подогрева - охлаждения», перемешивания и контроля температуры и уровня закалочного раствора. Система «подогрева - охлаждения» может быть выполнена в виде змеевика, расположенного по боковым внутренним стенкам емкости, соединенного с сетями горячей и холодной воды. Измерение температуры среды в закалочном баке осуществляется с помощью термометра сопротивления с соответствующей измерительной аппаратурой. Точка контроля температуры должна находиться на уровне погружения закаливаемых деталей.

Пример: процесс приготовления закалочной среды заключает в себе следующее.

Необходимое для приготовления закалочной среды количества воды и концентрата Бреокс Термо А определяется, исходя из результатов анализа охлаждающей способности пробных растворов сополимеров в сравнении с кривыми охлаждения масла И-20А. Охлаждающую способность растворов на основе сополимеров Бреокс Термо А изучали при помощи термодатчика.

При этом за основу выбирается тот пробный раствор, кривая охлаждения которого совпадает с кривой охлаждения масла или максимально приближается к ней.

Приготовление рабочего состава (8% раствор Бреокс Термо А) производится в следующем порядке. Для получения указанной концентрации в закалочный бак сначала налили концентрат Бреокс Термо А, затем до необходимого уровня технической воды по ГОСТ 4979-49. Подготовленный 8% раствор при активном перемешивании выдерживают в течение 30 минут.

В целях стабилизации охлаждающей способности закалочная жидкость должна обязательно пройти «приработку» (искусственное старение) бракованными деталями, заключающуюся в охлаждении с закалочной температуры серии садок «балласта» при активном перемешивании жидкости в баке. Масса разовой садки не должна превышать массу серийной садки. Приработка охлаждением «балласта» производится только вновь приготавливаемой закалочной среды. При проведении корректировок добавление концентрата полимера в процессе дальнейшей многолетней эксплуатации закалочной среды не требуется осуществления приработки.

После приготовления 8% водополимерного раствора можно осуществить закалку твердого сплава. Сплав ВК10КС, нагретый под закалку до температуры 1150÷1160°С, в дальнейшем закаливают в 8% растворе Бреокс Термо А при температуре окружающей среды. При интенсивном перемешивании ванны рабочий диапазон температуры закаливающей среды - (+18÷55°С). Время выдержки деталей в ванне при закалке определяется технологическим процессом на термообработку данной детали. После закалки твердого сплава в 8% растворе Бреокс Термо А улучшается эксплуатационная стойкость бурового инструмента. Аналогичную закалку проводили на сплавах ВК15КС, ВК8КС, ВК8. После закалки тоже отмечалось улучшение эксплуатационной стойкости бурового инструмента.

Использование предлагаемого способа закалки твердого сплава на основе карбида вольфрама в 8% водном растворе полимера Бреокс Термо А обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

1. Исключает риск пожара, являясь водным раствором, не загрязняет окружающую среду.

2. Более стабилен в условиях эксплуатации (особенно до температуры +150°С) и более долговечен в применении.

3. Стоимость 8% водного раствора Бреокс Термо А в 2 раза дешевле 10% водного раствора полимера ПК-М.

4. Сохраняет стабильные свойства при длительном хранении.

5. Шире рабочий диапазон температур - (+18÷55°С) вместо (+18÷40°С) у 10% раствора ПК-М.

6. Обеспечивает минимальную остаточную деформацию твердого сплава.

7. Не обладает пенообразованием.

Источники информации

1. Осколкова Т.Н. Закалка как способ повышения эксплуатационной стойкости твердого сплава // Известия вузов. Черная металлургия. - 2005, №9. - С.36-37.

2. Осколкова Т.Н. Использование водополимерной охлаждающей среды при закалке твердого сплава ВК10КС // Известия вузов. Черная металлургия. - 2006, №4. - С.40-42.

3. Патент России №2294261, С22С 29/00, 2006 (прототип).

Способ закалки твердого сплава на основе карбида вольфрама, включающий нагрев сплава под закалку выше 1100°С и его охлаждение в закалочной среде, отличающийся тем, что в качестве закалочной среды используют 6-11%-ный водный раствор Бреокс Термо А на основе сополимеров этиленгликоля и полипропиленгликоля.