Твердосплавный инструмент: виды, применение в бурении

Что такое твёрдый сплав

Твёрдый сплав (cemented carbide, hard metal) — композитный материал, состоящий из твёрдых зёрен карбида вольфрама (WC) или других тугоплавких карбидов, скреплённых металлической связкой — чаще всего кобальтом (Co). Твёрдые сплавы занимают промежуточное положение между инструментальными сталями и алмазом, сочетая высокую твёрдость (HRA 84–92) с достаточной вязкостью и прочностью при изгибе (1200–2500 МПа).

История твёрдых сплавов начинается в 1923 году, когда немецкий инженер Карл Шрёттер разработал метод спекания WC с кобальтом. С тех пор твердосплавный инструмент стал незаменимым в металлообработке, бурении, горнодобыче, дорожном строительстве и десятках других отраслей.

Состав и свойства

Основные компоненты твёрдого сплава группы ВК:

• Карбид вольфрама (WC): основная твёрдая фаза, обеспечивающая износостойкость. Микротвёрдость зёрен WC — 18–22 ГПа. Размер зёрен варьируется от 0,5 (субмикронные) до 6 мкм (крупнозернистые).
• Кобальт (Co): металлическая связка, обеспечивающая прочность и вязкость. Содержание 3–25%. Чем больше кобальта, тем прочнее и вязче сплав, но ниже твёрдость.

Свойство	Твёрдый сплав WC-Co	Инстр. сталь HSS	Алмаз
Твёрдость, HV	1000–2000	700–900	8000–10000
Прочность при изгибе, МПа	1200–2500	3000–4000	200–500
Модуль упругости, ГПа	450–650	210	1000
Плотность, г/см³	14,0–15,2	7,8–8,2	3,5
Рабочая температура, °C	до 800	до 600	до 700 (на воздухе)

Марки сплавов группы ВК

В России и странах СНГ твёрдые сплавы WC-Co обозначаются буквами ВК с цифрой, указывающей процентное содержание кобальта:

• ВК3, ВК4: минимум кобальта, максимальная твёрдость. Для чистовой обработки, волочильных фильер, прецизионного инструмента.
• ВК6: универсальный сплав. Буровые зубки для крепких пород, режущие пластины, износостойкие детали.
• ВК8: повышенная вязкость. Буровые зубки для средних пород, шипы противоскольжения, подпятники.
• ВК10, ВК11: высокая ударная прочность. Буровые зубки для ударных нагрузок, горнодобывающий инструмент.
• ВК15, ВК20: максимальная вязкость. Штамповый инструмент, ударные компоненты.

Технология производства

Производство твердосплавных изделий включает следующие этапы:

1. Подготовка порошков: порошки WC и Co дозируются, смешиваются в шаровых мельницах с добавлением органического пластификатора (парафин, полиэтиленгликоль)
2. Грануляция: сушка суспензии в распылительной сушилке с получением гранул сферической формы
3. Прессование: формование заготовки в пресс-форме при давлении 100–300 МПа
4. Удаление пластификатора: нагрев до 300–500 °C в защитной атмосфере
5. Спекание: нагрев до 1350–1500 °C в вакууме или среде водорода. Кобальт расплавляется и заполняет межзёренное пространство (жидкофазное спекание)
6. Механическая обработка: шлифование алмазными кругами до требуемых размеров
7. Контроль качества: измерение твёрдости, плотности, магнитных свойств, визуальный контроль

Применение в буровой отрасли

В бурении твердосплавные изделия используются как основные рабочие элементы:

• Зубки шарошечных долот: конические, клиновые и сферические зубки, запрессованные в тело шарошки. Наиболее массовое применение в буровой отрасли.
• Подпятники: опорные элементы узла подшипника долота, воспринимающие осевую нагрузку.
• Калибрующие пластины: защитные элементы на лапах долота, предотвращающие потерю диаметра.
• Гидромониторные насадки: сопла для формирования струй промывочной жидкости.
• Подложки PDC-резцов: карбидовольфрамовые диски, на которые синтезируется алмазный слой.

Горнодобывающая отрасль

В горнодобыче твёрдый сплав применяется для:

• Вставки пневмоударных коронок (DTH bits)
• Зубки шарошечных долот для карьерного бурения
• Режущие элементы проходческих комбайнов
• Износостойкие футеровки дробилок, мельниц, грохотов
• Зубья ковшей экскаваторов и погрузчиков

Другие области применения

• Металлообработка: токарные, фрезерные, сверлильные инструменты (более 50% мирового производства твёрдых сплавов)
• Дорожное строительство: зубки для дорожных фрез, армирование ковшей
• Нефтехимия: клапаны, насосные втулки, уплотнительные кольца
• Автомобильная промышленность: шипы противоскольжения для зимних шин
• Деревообработка: пильные диски, ножи для рубительных машин

Твердосплавная продукция Волгабурмаш

АО «Волгабурмаш» располагает собственным производством твердосплавных изделий, что обеспечивает полный контроль качества от порошка до готового продукта. Номенклатура включает зубки, подпятники, пластины, колонки, гидромониторные насадки, волочильные фильеры, сферы и шипы противоскольжения.