Буровые шарошечные долота являются основным инструментом для бурения скважин в нефтяной, газовой и горнорудной отраслях промышленности. Шарошечное долото представляет собой сложную конструкцию, состоящую из трёх сваренных между собой секций. Каждая секция представляет собой неподвижную часть — лапу, на которой находится подвижная вращающаяся часть — шарошка. Разрушающим породу элементом шарошки являются зубки, которые могут быть исполнены стальными с наплавкой твёрдым сплавом или полностью твердосплавными, запрессованными в заранее просверленные отверстия в шарошке. Твердосплавные зубки, в зависимости от категории пород, имеют разную форму. Если раньше уровень качества твёрдого сплава не позволял изготавливать зубки с вылетом над телом шарошки более радиуса запрессованной части [4], то сейчас зубки изготавливаются с соотношением запрессованной и рабочей части как 1 к 1, и максимальным вылетом зубка над телом шарошки до 20. .25мм (рис.2).Рисунок 2. Твердосплавные зубки производства ОАО «Волгабурмаш» Буровые долота работают в чрезвычайно тяжёлых условиях[106]. Достаточно отметить, что имея диаметр 46…660мм, они работают при осевых нагрузках 2…40к11, при частоте вращения от 0,7 до 20 оборотов в секунду, в абразивосодержащей среде, при значительной динамичности приложения нагрузки. Высокая энергоёмкость разрушения горных пород требует подведения к долоту большой (более 50кВт) мощности. Реализация этой мощности происходит через небольшие контактные поверхности, что обуславливает высокую напряжённость работы элементов долота. Основным показателем эффективности работы долота является стоимость одного метра проходки, которая зависит от скорости бурения и стойкости долота, то есть времени его работы до замены [24]. Сложные условия работы долот приводят к интенсивному изнашиванию их элементов и прежде всего опоры и вооружения. Основным видом повреждения твердосплавных зубков является их разрушение за счёт скола при повышенных или даже нормальных энергиях удара по забою [6]. В результате скола части зубков увеличивается удельная нагрузка на оставшиеся зубки шарошки, а также на зубки других шарошек, что приводит к преждевременному выходу из строя долота в целом. Дополнительным отрицательным результатом такого изнашивания является скопление на забое твёрдого сплава, который в силу своей большой плотности не может быть поднят циркулирующей жидкостью на поверхность скважины. Наличие такого скрапа на забое резко снижает эффективность работы последующих долот и способствует преждевременному выходу их из строя. В последние годы всё более широкое применение наряду с шарошечными долотами находят алмазные долота. Но всё равно на сегодня доля шарошечных долот в бурении превышает 80%. А для особо крепких гт крепких пород, она составляет 100%.ОАО «Волгабурмаш» является ведущим предприятием России по производству буровых долот и входит в пятёрку ведущих мировых производителей. Долота ОАО «Волгабурмаш» занимают примерно 80% отечественного рынка бурового инструмента. Значительная часть продукции поставляется в страны ближнего и дальнего зарубежья. В условиях открытого рынка бурового инструмента обострилась борьба в первую очередь с зарубежными производителями, возросла конкуренция. В этих условиях большое значение приобретает качество буровых долот. В связи с этим, в ОАО «Волгабурмаш» проводится большая работа по повышению эффективности и качества буровых долот. Проведены исследования качества отечественных и импортных долотных сталей, на основе которых разработаны новые технические условия на долотные стали ТУ 14- 550 -51 — 2004 [72]. Разработаны и внедрены методы компьютерного анализа напряжённодеформированного состояния деталей буровых долог, технология селективной компьютерной сборки [71]. Разработаны, и применяются при создании новых конструкций долот, принципы научно обоснованного выбора и проектирования схем опор лап, очистки забоя, новых видов вооружения шарошек[70], оптимизированы процессы сборки опор[64, 76]. Проводимая работа позволяла наращивать уровень качества долот. Но на определённом этапе сдерживающим фактором в росте проходки долот стало нестабильное качество твердосплавных зубков. Причём стандартные методы исследования качества твёрдого сплава, такие как твёрдость, плотность, прочность при изгибе и микроструктура, не выявляли каких либо отклонений и нестабильности. Вместе с тем, при отработке долот значительное количество зубков подвергалось сколам и сломам в начальный период работы долота. Всё это снижало позиции в конкуренции с другими производителями и могло привести к вытеснению с рынка. Большинство научно-исследовательских работ по твёрдым сплавам относятся к общим характеристикам 'сплавов или к твёрдым сплавам для режущего инструмента. Недостаточно исследований, касающихся конкретно буровых марок твёрдых сплавов. В то же время, твердосплавные зубки работают в условиях экстремального ударного циклического нагружения, и характер работы предъявляет особые требования к физико-механическим свойствам сплавов. Разрушение породы происходит за счёт ударноскалывающего воздействия зубков. Поэтому преимущественное значение приобретают характеристики пластичности и трещиностойкости. Всё вышеизложенное обусловило необходимость проведения комплекса научно-исследовательских работ по повышению качества твёрдого сплава и разработке и внедрению новых методов контроля, позволяющих гарантировать высокую эксплуатационную стойкость зубков. Часть работ в этом направлении составила содержание кандидатской диссертации Ахметсагирова СМ. по технологическому обеспечению стабильности циклической ударной стойкости за счёт повышения стабильности химического состава твёрдого сплава и оптимизации содержания углерода в нём[42]. Другая часть работ, составивших содержание настоящей диссертации, посвящена повышению качества твёрдого сплава за счёт использования высокотемпературного карбида вольфрама, по которому имелись сведения, что он обладает повышенными характеристиками пластичности^ 16], а также за счёт использования характеристики магнитного насыщения, как дополнительного способа контроля прочностных свойств твердосплавных зубков, гарантирующего их высокую эксплуатационную стойкость[13]. Для решения проблемы повышения качества буровых твёрдых сплавов за счёт этих факторов необходимо было решить следующие задачи: 1. Установить факторы, приводящие к снижению трещиностойкости и пластичности твердого сплава.2. Выполнить коррекцию технологического процесса изготовления твердосплавных зубков с целью устранения факторов, способствующих снижению трещиностойкости и пластичности.3. Разработать и внедрить новые методики контроля качества твердосплавных зубков, гарантирующие их высокую эксплуатационную стойкость.4. Выполнить исследования прочностных свойств карбида вольфрама и возможность их повышения.5. На основе проведенных исследований разработать новые марки твердого сплава для изготовления твердосплавных зубков с повышенной пластичностью и трещиностойкостью.6. Выполнить анализ эффективности внедрения результатов диссертационной работы применительно как к самому процессу изготовления твердосплавных зубков, так и к качеству буровых долот в целом. Научная новизна результатов исследований 1. Исследовано влияние пластических свойств кобальтовой связки и трещиностои кости твёрдого сплава на эксплуатационную стойкость твердосплавных зубков.2. Показана необходимость контроля магнитного насыщения твердосплавных зубков как основного критерия их эксплуатационной стойкости за счёт обеспечения высокой пластичности и трещиност ойкоти твёрдого сплава. Выполнен анализ эффективности применения высокотемпературного карбида вольфрама в производстве твердосплавных зубков.3. Проведено сравнительное исследование методом растровой электронной микроскопии морфологии и структуры частиц низкотемпературного и высокотемпературного карбида вольфрама и найдены существенные различия 4. Проведено сравнительное исследование кинетики размола низкотемпературного и высокотемпературного карбида вольфрама, подтверждён вывод о более высокой пластичности последнего.5. Обоснована необходимость применения высокотемпературного карбида вольфрама для изготовления буровых марок твёрдого сплава с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости. Практическая значимость результатов исследования По результатам проведённых исследований: 1. Показано существенное различие свойств твёрдого сплава в пределах двухфазной области в зависимости от содержания углерода. Определён диапазон содержания углерода 6,08 — 6,13% (в пересчёте на карбид), при котором обеспечивается достаточная пластичность IT трещиностойкость твёрдого сплава и циклическая стойкость твердосплавных зубков.2. Разработан технологический режим коррекции содержания углерода в процессе операции спекания через смесь газов: водорода и метана.3. Разработана и внедрена методика анализа магнитного насыщения твердосплавных зубков, установлен допустимый диапазон магнитного насыщения, обеспечивающий высокую пластичность и трещиносюйкость твёрдого сплава и стойкость зубков.4. Разработаны технические условия на высокотемпературные марки карбида вольфрама для изготовления твердосплавных зубков с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости.5. Выполнена модернизация технологического процесса изготовления твердосплавных зубков с внедрением вышеуказанных техпроцессов, методик и новых материалов.6. Переработан стндарт предприятия на твердосплавные зубки с внедрением новых марок буровых твёрдых сплавов на основе высокотемпературного карбида вольфрама. Апробация работы Материалы диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: XVI международная научно-техническая конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2006) — Международная научно-техническая интернет-конференция «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2005, 2006гл).Публикации Результаты диссертации опубликованы в семи работах.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.
1. Показана определяющая роль характеристик пластичности и трещиностойкости твердого сплава в обеспечении высокой эксплуатационной стойкости твердосплавных зубков буровых шарошечных долот.
2. Исследовано влияние такого фактора как содержание углерода в твердом сплаве на его пластичность и трещиностойкость, и на циклическую стойкость зубков, найдено оптимальное содерлсание углерода в двухфазной области твердого сплава 6,08.6,13%(масс.) в пересчёте на карбид вольфрама.
3. Разработана методика контроля магнитного насыщения твердого сплава, и установлен допустимый диапазон магнитного насыщения 145. 160 Гс/г Со, гарантирующий высокую пластичность и трещиностойкость твердого сплава, а, следовательно, и высокую эксплуатационную стойкость твердосплавных зубков при бурении.
4. Проведено сравнение прочностных и пластических свойств и строения зерен карбидов вольфрама, полученных при низких и высоких температурах карбидизациипоказано преимущество высокотемпературного карбида вольфрама для изготовления буровых твердых сплавов с повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости.
5. На основе проведенных исследований внесены следующие изменения в технологический процесс изготовления твердосплавных зубков: низкотемпературный карбид вольфрама заменен на высокотемпературный, в связи с чем разработаны и согласованы с поставщиками технические условия на высокотемпературный карбид вольфрама;
— операция спекания твердого сплава переведена с раздельного цикла в двух печах на полный цикл в одной вакуумно-компрессионной печи с корректировкой содержания углерода в твердом сплаве до необходимого уровня;
— характеристика магнитного насыщения твердого сплава включена в перечень параметров, контролируемых при производстве твердосплавных зубков.
6. Внесенные изменения в технологию изготовления твердосплавных зубков позволили обеспечить стабильно высокий уровень эксплуатационной стойкости зубков и существенно снизить издержки твердосплавного производства.
7. Разработаны новые марки твердого сплава ВК6С, ВК10С, ВК15С повышенной пластичности и трещиностойкости на основе высокотемпературного карбида вольфрама для изготовления твердосплавных зубков шарошечных долот, износостойкость которых не уступает, а в случае с ВК6С даже превосходит, характеристики применявшихся ранее сплавов.
8. В результате повышения пластичности и трещиностойкости твердосплавных зубков не только устранены случаи аварийных выходов из строя долот из-за слома зубков, но и значительно, до 60%, увеличена проходка долот, а также стали возможны более высокие скорости бурения за счет увеличения вылета зубков над телом шарошки (до 20−25 мм, вместо 8−12 по ТУ 48−4205−44−2002).
