Разработка твердосплавного режущего инструмента для разрушения прочных и абразивных горных пород

Мультанов, Андрей Сергеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка твердосплавного режущего инструмента для разрушения прочных и абразивных горных пород
ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Разработка твердосплавного режущего инструмента для разрушения прочных и абразивных горных пород"

На правах рукописи

МУЛЬТАНОВ Андрей Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТВЕРДОСПЛАВНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ПРОЧНЫХ И АБРАЗИВНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность: 25.00.20 - " Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Национальном научном центре горного производства -Институт горного дела им. А.А. Скочинского.

Научный руководитель: Академик РАН ШЕМЯКИН Е.И.

Официальные оппоненты: Докт. техн. наук, проф. ЧИРКОВ СЕ. Канд. техн. наук ПРИСТАШ В.В.

Ведущее предприятие - Институт проблем комплексного освоения недр РАН

Защита диссертации состоится 30 июня 2004 г. в 12 час. на заседании диссертационного совета Д.222.004.02 в ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского по адресу: 140004, Московская обл., г. Люберцы

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского.

Автореферат разослан 28 мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук, проф.

ИЩУК И.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из основных научно-технических проблем развития технологии механического разрушения горных пород является расширение области применения серийных проходческих комбайнов на более прочные и абразивные породы, а также повышение их производительности и надежности.

Выполненный в ИГД им. А.А. Скочинского анализ горногеологических условий перспективных шахт основных угольных месторождений России показал, что около 70-80% объемов горноподготовительных работ можно достаточно эффективно выполнять проходческими комбайнами легкого (30-35%) и среднего (40—45%) типов, получившими наибольшее распространение в отечественной практике. Однако, основным фактором, сдерживающим увеличение объемов комбайновой проходки, является существенное повышение расхода режущего инструмента при разрушении горных пород с прочностью при сжатии более 50МПа и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а>10-12 мг. Это, естественно, ставит новые задачи по созданию породоразрушающего инструмента с повышенной прочностью и износостойкостью.

Качество резцов как прямо (через их стоимость), так и опосредованно (через затраты времени на их замену, снижение ресурсов исполнительного органа, элементов трансмиссии, приводов и других узлов комбайна) влияет на стоимость проведения горных выработок. По данным исследований, выполненных в научно-исследовательском центре DMT (Германия), удельный вес затрат, связанных с расходом режущего инструмента, в зависимости от горно-геологических условий может достигать 37% и более от затрат на проходку.

Общей реакцией производителей режущего инструмента на усложнение условий его применения обычно является увеличение размеров резцов, а также размеров и массы твердосплавных вставок (увеличение ширины режущих кромок для неповоротных резцов и увеличение отношения диаметра к длине вставки с увеличением первого для поворотных резцов). Использование такого подхода, во-первых, подразумевает использование более мощных комбайнов с повышенной энерговооруженностью исполнительного органа, а во-вторых, неизбежно ведет к повышению стоимости режущего инструмента и ставит под сомнение вопрос экономичности комбайновой проходки в целом.

Эффективность применения породоразрушающего инструмента в значительной степени обусловлена свойствами и качеством материала, из которого изготовлена режущая вставка. Поэтому одним из наиболее перспективных и актуальных направлений исследований в вопросах повышения прочности и износостойкости режущего инструмента является изыскание новых материалов для его армировки.

Цель работы. Разработка износостойкого твердосплавного режущего инструмента, позволяющего эффективно разрушать прочные и абразивные горные породы серийными проходческими комбайнами.

Идея работы заключается в повышении эффективности процесса разрушения прочных и абразивных горных пород режущим инструментом за счет использования новых материалов для его армировки, обеспечивающих снижение интенсивности усталостного изнашивания при докритических скоростях резания и соответствующих им температурах в рабочей зоне, а также повышение критической скорости резания.

Задачи исследований:

1. Провести анализ процесса разрушения прочных и абразивных горных пород режущим инструментом, его напряженно-деформированного состояния и физических условий работы.

2. Выявить комплекс физико-механических свойств армирующих твердых сплавов, определяющих эффективность применения режущего инструмента, его прочность и износостойкость, и разработать требования к режущему инструменту для разрушения прочных и абразивных горных пород.

3. Изыскать способы направленного изменения физико-механических свойств армирующих твердых сплавов за счет модифицирования их структуры и состава применительно к созданию твердосплавного режущего инструмента для разрушения прочных и абразивных горных пород.

4. Исследовать закономерности изнашивания разработанного твердосплавного режущего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород.

5. Исследовать возможность расширения области эффективного применения проходческих комбайнов, оснащенных разработанным режущим инструментом, на прочные и абразивные горные породы.

Методы исследований. Общей теоретической и методологической базой диссертационной работы явились научные труды отечественных и зарубежных ученых и практиков в области геомеханики и разрушения горных пород, разработки и совершенствования породоразрушающего инструмента. При решении поставленных задач исследований использовался комплексный системный подход, включающий в себя теоретические исследования, экспериментальные лабораторные исследования и натурные испытания в шахтных условиях. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась при помощи компьютерной техники с использованием методов математической статистики и теории вероятностей.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Эффективность процесса разрушения прочных и абразивных горных пород режущим инструментом в большей степени определяется ресурсом пластичности армирующего твердого сплава, чем величиной его статической прочности.

2. Износостойкость режущего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород может быть повышена на 18-20% за счет использования для его армировки особокрупнозернистых ^^ = 7-9 мкм и более) твердых сплавов на основе карбида вольфрама, обладающих повышенным ресурсом пластичности по сравнению с используемыми в настоящее время серийными сплавами ^те=3,5-4,5 мкм).

3. Прочность и износостойкость режущего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород может быть повышена на 16-18% за счет использования для его армировки твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальт-никелевой связкой с соотношением содержания кобальта и никеля 2:1, обладающих большей прочностью и пластичностью, чем сплавы WC-Co.

4. Для армирования режущего инструмента для разрушения прочных и абразивных горных пород наиболее эффективно применение твердосплавных режущих вставок из сплавов следующих составов:

- WC-5,4%Co-2,6%Ni ^т=8-9 мкм) - для разрушения пород с прочностью при сжатии до 60 МПа и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а до 23 мг;

- WC-6,7%Co-3,3%Ni ^т=8-9 мкм) - для разрушения пород с прочностью при сжатии до 80 МПа и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а до 18 мг.

5. Использование разработанного режущего инструмента позволяет расширить область эффективного применения серийных проходческих комбайнов на прочные и абразивные горные породы.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- использованием комплекса апробированных натурных и лабораторных экспериментальных методов, а также, методов математической статистики и теории вероятностей при обработке результатов экспериментов;

- представительным объемом экспериментальных измерений и хорошей сходимостью полученных данных с результатами аналитических расчетов, стендовых и натурных испытаний;

- положительными результатами натурных испытаний разработанного режущего инструмента в шахтных условиях.

Научная новизна работы.

- Установлено, что эффективность процесса разрушения прочных и абразивных горных пород режущим инструментом в болыией степени определяется ресурсом пластичности армирующего твердого сплава, чем величиной его статической прочности.

- Научно обосновано и экспериментально установлено, что износостойкость режущего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород может быть повышена на 18-20% за счет использования для его армировки особокрупнозернистых твердых сплавов на основе карбида вольфрама, обладающих повышенным ресурсом

пластичности по сравнению с серийными сплавами для оснащения горного инструмента.

- Научно обосновано и экспериментально установлено, что прочность и износостойкость режущего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород может быть повышена на 16-18% за счет использования для его армировки твердых сплавов WC-Co-Ni с соотношением содержания кобальта и никеля 2:1, обладающих большей прочностью и пластичностью, чем сплавы WC-Co.

- Экспериментально установлены закономерности изнашивания разработанного твердосплавного режущего инструмента, армированного особокрупнозернистыми сплавами WC-Co и WC-Co-Ni, при разрушении прочных и абразивных горных пород.

Личный вклад автора состоит:

- в исследовании влияния состава и структуры армирующих твердых сплавов WC-Co и WC-Co-Ni на эффективность применения и износостойкость породоразрушающего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород;

- в разработке прочного и износостойкого твердосплавного режущего инструмента, позволяющего расширить область эффективного применения серийных проходческих комбайнов на прочные и абразивные горные породы;

- в разработке нового класса твердых сплавов WC-Co-Ni с соотношением содержания кобальта и никеля 2:1, характеризующихся повышенным сопротивлением разрушению в условиях воздействия интенсивных нагрузок, абразивного износа и повышенных температур.

- Практическое значение работы.

- Разработан и создан твердосплавный режущий инструмент, позволяющий расширить область эффективного применения серийных проходческих комбайнов на прочные и абразивные породы.

- Применение особокрупнозернистых твердых сплавов WC-Co и WC-

для армирования режущего инструмента позволяет значительно снизить его расход при разрушения прочных и абразивных горных пород. В идентичных условиях проходки (породы со средневзвешенной прочностью при сжатии и показателем абразивности по

Барону-Кузнецову а=16мг) расход резцов РГ501, армированных особокрупнозернистым сплавом WC-5,4%Co-2,6%Ni, на 32% ниже, чем серийных. Потери рабочего времени на замену режущего инструмента сокращены на 37%.

- Результаты работы могут быть использованы для повышения эксплуатационных характеристик других видов твердосплавного инструмента, работающего в условиях воздействия интенсивных нагрузок, абразивного износа и повышенных температур.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при производстве поворотных резцов нового технического уровня, отличающихся повышенной прочностью и износостойкостью от

аналогов, армированных твердыми сплавами группы ВК-КС. При этом себестоимость режущих вставок из сплавов WC-Co-Ni на 10-12% ниже, чем аналогичных из сплавов WC-Co.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации докладывались на семинарах ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского в 2001— 2004 гг. Материалы работы были представлены на Всероссийском открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Российской Федерации в 2001 г. и отмечены медалью "За лучшую научную студенческую работу".

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы из наименований и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние исследуемого вопроса

Совершенствование режущей части резцов осуществляется в основном в двух направлениях: путем изменения геометрических параметров в соответствии с конструктивными особенностями оснащаемых инструментом машин и условиями их применения и путем создания более износостойких материалов для его армировки.

Изучению свойств горных пород, разработке и совершенствованию способов и средств их механического разрушения посвящены работы А.И. Берона, Л.И. Барона, Е.И. Шемякина, Л.Б. Глатмана, Е.З. Позина, СЕ. Чиркова, В.В. Присташа, СИ. Мультанова, Ю.Н. Линника, В.В. Тона, В.З. Меламеда, Г.В. Арцимовича и ряда других ученых. Вопросам разработки и совершенствования твердых сплавов для оснащения горного инструмента посвящены работы Г.С. Креймера, В.И. Третьякова, В.А. Туманова, В.Ф. Функе, В.А. Ивенсена, М.Г. Лошака, B.C. Панова, В.А. Фальковского, В.А.Чистяковой и других исследователей.

Влияние геометрии инструмента и параметров режима разрушения на силовые и энергетические показатели процесса резания изучены достаточно хорошо, вопросам же совершенствования режущего инструмента за счет использования более износостойких материалов для его армировки, уделено недостаточно внимания. Об этом свидетельствует существенное повышение расхода резцового инструмента при разрушении проходческими комбайнами горных пород с прочностью при сжатии более 50МПа и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а>10-12 мг, а также довольно высокий процент поломочных отказов режущего инструмента (особенно при резании прочных горных пород) вследствие разрушения твердосплавной вставки.

Размер зерна карбидной фазы твердых сплавов ВК8, ВК8В, ВК8КС, ВК10КС, ВК11ВК, ВК12КС и ВК15, рекомендуемых в настоящее время для оснащения горного инструмента (как бурового, так и режущего) не превышает 3,5-4,5 мкм. Между тем, данные каталогов ведущих зарубежных производителей режущего инструмента и результаты исследований режущих вставок из импортного инструмента свидетельствуют о том, что уже более 10 лет для оснащения резцов за рубежом довольно широко применяются особокрупнозернистые вольфрамокобальтовые твердые сплавы. В сортаменте сплавов, выпускаемых отечественной твердосплавной промышленностью, марок аналогичного состава и структуры попросту нет.

Это обстоятельство отчасти связано с тем, что разработка отечественных твердых сплавов для разрушения горных пород проводилась, в первую очередь, опираясь на опыт создания, производства и эксплуатации буровой техники. При выборе материала для армировки резцового инструмента вопросы, касающиеся отличий напряженно-деформированного состояния, параметров' режима разрушения и физических условий работы бурового и режущего инструмента, зачастую остаются без должного внимания.

Результаты экспериментальных исследований' по применению различных, в том числе алмазных, композиционных материалов позволяют утверждать, что главным средством армировки режущего инструмента в обозримой перспективе останутся твердые сплавы на основе карбида вольфрама, поэтому насущной задачей является совершенствование этих сплавов.

2. Теоретические предпосылки созданиярежущего инструмента для разрушения прочных и абразивных пород

Изыскание возможных путей повышения эффективности применения и износостойкости режущего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород необходимо начать с рассмотрения системы "инструмент - горная порода". Резец поворотного типа представляет собой стержень переменного сечения, находящийся в условиях совместно происходящей осевой деформации (сжатия) и поперечного изгиба.

Для оценки характера напряженно-деформированного состояния и величины напряжений, возникающих в опасных сечениях державки и армирующей вставки поворотного резца РГ501, нами был проведен расчет параметров напряженно-деформированного состояния применительно к случаю резания песчаника с контактной прочностью Рк = 755 МПа. Толщина стружки к =10 мм, шаг резания ? = 20 мм, угол атаки 45°, угол разворота 8°. Схема действия сил представлена на рис. 1.

Значения изгибающей силы Р и сжимающей силы № вычислялись из средних значений трех составляющих усилий, действующих на инструмент

PY И PZ) В результате осуществления двух последовательных поворотов координатных осей: вокруг оси ОХ на угол атаки резца и вокруг оси OY на угол разворота резца с тем условием, чтобы совместить направление оси OZ с осью резца.

Как показывают результаты расчетов, величина напряжений во всех рассмотренных сечениях не превышает половины от максимально допустимых для материалов вставки (твердый сплав ВК8КС) и державки (сталь 35ХГСА). В режущей вставке наибольшие по абсолютной величине напряжения возникают в области контакта с горной породой (рис. 2).

Величина напряжений в сечении 2 (рис. 3), соответствующем области заделки режущей вставки в державку (тело) резца существенно ниже, на задней грани режущей вставки наблюдается возникновение растягивающих напряжений

При разрушении прочных горных пород с показателем хрупко-пластических свойств ^^ > 2 максимальные значения усилий резания и подачи могут превышать их средние значения в 5-7 раз. Поэтому нами были проведены аналогичные расчеты для случая возникновения пиковых нагрузок в 7 раз превышающих средние (рис. 4).

Результаты расчетов показали, что возникновение пиковых нагрузок не оказывает существенного влияния на вид напряженно-деформированного состояния и величину напряжений в сечении 1 (т.к. с ростом усилий увеличивается и площадь контакта), но значительно меняет картину в других сечениях. Так, в сечении 2 на передней грани резца максимальные касательные напряжения увеличиваются в 5,8 раза, а на задней грани меняется вид напряженно-деформированного состояния с растяжения на сжатие (см. рис. 4).

Таким образом, под действием нагрузок высокой интенсивности, стохастически возникающих в процессе резания, материал армирующей вставки находится в условиях сложного напряженно-деформированного состояния. Износ инструмента при докритических скоростях резания происходит в основном в результате многократного деформирования одних и тех же объемов материала и носит усталостный характер, а абразивное микрорезание (царапанье) - лишь способствующий фактор.

При достижении критической скорости резания наблюдается резкое увеличение интенсивности изнашивания, что объясняется развитием в зоне контакта твердосплавной вставки с породой довольно высоких, температур (в основном в результате трения), которые оказывают существенное влияние на износостойкость твердого сплава и практически не влияют на микротвердость и прочностные свойства породообразующих минералов. С ростом температуры происходит значительное снижение твердости и прочности твердого сплава и при достижении некоторой температуры (по данным разных исследований 600-700 °С), твердость твердого сплава становится ниже твердости породообразующих минералов (обычно кварца). В условиях высоких контактных температур зерна породообразующих минералов царапают (пропахивают) поверхность твердого сплава; интенсивность изнашивания приобретает катастрофический характер. Необходимо отметить, что высокие температуры развиваются как в поверхностном слое твердосплавной вставки (как правило, не более 1 мм) в непосредственной близости от пятна контакта, так и в слоях материала, прилегающих к поверхностям скольжения.

В соответствии с вышесказанным, наибольший интерес представляют два направления исследований: снижение интенсивности усталостного изнашивания при докритических скоростях и повышение критической скорости резания. Решение первого аспекта проблемы возможно за счет повышения ресурса пластичности материала режущей вставки, второго - за счет повышения его жаропрочности.

Пластическая деформация, повышая величину работы разрушения, численно равную площади ограниченной кривой деформации и осью абсцисс, увеличивает сопротивление разрушению и оказывает значительное влияние на работоспособность режущего инструмента в условиях весьма интенсивных нагрузок. Таким образом, сопротивление

разрушению не определяется однозначно пределом прочности материала, а в значительной степени зависит от величины деформации.

Способность твердых сплавов пластически деформироваться определяется количеством связки в сплаве, ее пластическими свойствами и механизмом деформации, что подтверждается на практике наличием прямопропорциональной зависимости предела прочности при кручении и ударной вязкости сплавов WC-Co от содержания кобальта.

Повышение пластичности твердых сплавов возможно двумя путями: за счет увеличения содержания кобальта в сплаве и за счет увеличения размера зерна карбидной фазы. Однако и то, и другое непременно ведет к снижению твердости. Ввиду высокой стоимости кобальта второй путь более выгоден в экономическом плане. Кроме того, анализ литературных данных по исследованию свойств твердых сплавов показывает, что при увеличении содержания кобальта скорость деформации на стадии установившейся ползучести повышается, а при увеличении размера зерна карбидной фазы, наоборот, снижается.

Наряду с этим немалый интерес представляет модифицирование состава связки с целью повышения ее вязкости и жаропрочности, однако при этом не следует забывать, что основным требованием, предъявляемым к связке, является хорошая смачиваемость монокарбида вольфрама ее расплавом.

При рассмотрении различных вариантов замены кобальтовой связки в сплавах на основе карбида вольфрама наше внимание привлек уникальный комплекс свойств стали Гадфильда - высокая вязкость и способность упрочняться под действием ударно-абразивных нагрузок. Анализ литературных данных позволил установить, что механизм деформации стали Гадфильда (деформация неограниченным расщеплением дислокаций и двойникование) неразрывно связан с наличием минимума энергии дефекта упаковки в системе Fe-Mn-C вблизи ее состава. Однако использование стали Гадфильда в качестве связки для твердых сплавов поставило бы нас перед необходимостью введения дополнительной (и достаточно энергоемкой) технологической операции - закалки с целью получения требуемой аустенитной структуры. Ввиду значительной разницы в коэффициентах термического расширения монокарбида вольфрама и стали Гадфильда, быстрое охлаждение с температур закалки повысит риск появления дефектов критического размера и отрицательно скажется на прочности

Наш окончательный выбор пал на систему также

характеризующуюся низкими значениями энергии дефекта упаковки, высокой вязкостью и жаропрочностью. На рис. 5 приведена зависимость энергии дефекта упаковки от состава, построенная нами в результате сбора данных для различных сплавов этой системы. Как видно из графика, минимум энергии дефекта упаковки в системе соответствует

содержанию никеля 30-33%.

При температурах около 0,5Тпл («600оС в системе Со-№) для металлов наблюдается следующая зависимость между скоростью деформации на стадии установившейся ползучести и величиной

безразмерной энергии дефекта упаковки: £. Безразмерная энергия

дефекта упаковки представляет собой энергию дефекта упаковки, нормированную на. модуль сдвига и вектор Бюргерса: Подставив соответствующие значения, получаем, что скорость стационарной ползучести для сплава Со-33%№ в (27/15)3 »5,8 раз ниже, чем для чистого кобальта.

Сравним напряжения, необходимые для достижения одинаковых величин деформации кобальтовой связки и связки, имеющей состав Со-33%№. При температурах 0,4...0,98 Тпл (в нашем случае - при температурах в рабочей зоне выше 430°С) скорость стационарной ползучести зависит от приложенного напряжения по так называемому

"степенному закону дислокационной ползучести": £ ~ и" , где п > 3 (обычно п — 4...7, и п тем больше, чем ниже температура и выше напряжение). Для достижения одинаковых величин деформации этих двух связок при прочих равных условиях (равенство температур в рабочих зонах и времени контакта режущего инструмента с породой) необходимо уравнять скорости деформации. В случае использования связки Со-33%№ даже при максимальном значении п = 7 для этого потребуется как минимум в ^/5,8 »1,29 раз (т.е. на 29%) большее напряжение (естественно, что при

меньших значениях п величина необходимого напряжения окажется еще выше). Очевидна более высокая вязкость и жаропрочность сплавов с кобальт-никелевой связкой при соотношении содержания кобальта и никеля 2:1. Кстати, этим же фактом (относительно высоким значением энергии дефекта упаковки в чистом никеле) можно объяснить и более низкие физико-механические свойства сплавов WC-Ni по сравнению со сплавами WC-Co.

Таким образом, мы выделили два генеральных направления в вопросе создания режущего инструмента для разрушения прочных и абразивных горных пород: использование для армировки особокрупнозернистых твердых сплавов на основе карбида вольфрама и замена кобальтовой связки на кобальт-никелевую при соотношении содержания кобальта и никеля 2:1.

' 3. Изыскание способов направленного изменения физико-механических свойств армирующихтвердыхсплавов применительно к созданию < режущего инструмента дляразрушения прочных и абразивных

горныхпород

Для практической проверки приведенных выше рассуждений были изготовлены твердые сплавы различного состава и структуры. В процессе исследования сравнивались физико-механические свойства и данные лабораторных испытаний сплавов с нормальной зернистостью и особокрупнозернистых сплавов WC-Co с содержанием кобальта 8, 10 и 12% вес. и сплавов WC-Co-Ni с соотношением Оэ/№ 2:1 и содержанием связки 6, 8 и 10% вес. При изготовлении сплавов использовался порошок "высокотемпературного" карбида вольфрама. Для сплавов WC-12%Co дополнительно исследовалось влияние легирования карбидом тантала в количестве 1% вес. по отношению к карбиду вольфрама. Добавка карбида тантала осуществлялась на стадии мокрого размола. Спекание образцов проводили в вакууме при температурах 1390-1420°С в зависимости от состава.

При сравнении данных лабораторных испытаний и оценке уровня физико-механических свойств твердых сплавов для изготовления режущих вставок, использовались характеристики, представленные в табл. 1.

В соответствии с приведенными выше результатами анализа напряженно-деформированного состояния режущей вставки, особое внимание при сравнении различных составов армирующих твердых сплавов уделялось величинам деформационных характеристик при сжатии (предела прочности при сжатии, предельной пластической деформации и удельной работы пластической деформации), а также твердости. Кроме того, ввиду наличия растягивающих напряжений в режущей вставке определенный интерес представляла величина предела прочности при поперечном изгибе в силу эмпирического соотношения между ним и пределом прочности при растяжении для твердых сплавов 2:1.

Таблица 1

Показатели, используемые для сравнения уровня физико-механических свойств различных вариантов армирующих твердых сплавов_

Наименование Обозначе ние Погрешность измерений*

Твердость по Роквеллу (по шкале А) НЯА 0,5%

Предел прочности при поперечном изгибе ®ИЗГ 5%

Предел прочности при сжатии Осж 5%

Предел текучести при сжатии От 10%

Предельная пластическая деформация 6п 15%

Удельная работа пластической деформации Ап 10%

Коэффициент интенсивности напряжений Кк 10%

Циклическая долговечность при многократном ударе Нуд 7%

* при 95% вероятности

Как показали результаты исследований (табл. 2), при увеличении среднего размера зерна карбидной составляющей с 4 до 7-9 мкм пластичность твердых сплавов на основе карбида вольфрама существенно повышается.

Таблица 2

Физико-механические свойства армирующих твердых сплавов _различных составов_

Состав, % вес. мкм НЯА <7изг, МПа Осж> МПа Ап, МДжУм3 Бп» % Кш> МПа-м"2 Нуд'Ю"4, циклов

\УС-8%Со 4,2 88,0 2440 4057 118 4,2 15,5 4,2

\УС-8%Со 9,4 86,0 2024 3512 158 6,3 17,8 6,3

\УС-10%Со 4,1 87,5 2636 3854 142 5,2 16,9 5,2

\УС-10%Со 7,0 85,0 2263 3643 174 7,6 18,6 7,6

\УС-12%Со 4,1 87,0 2783 3700 178 5,3 17,6 8,0

\УС-1 %ТаС-12%Со 3,4 87,5 3450 3776 175 5,1 19,2 7,2

\УС-1%ТаС-12%Со 2,8 88,0 3205 3850 156 4,1 19,1 7,0

\УС-4%Со-2%№ 4,3 90,0 2515 4832 111 3,1 - -

\УС-4%Со-2%№ 8,6 89,0 2147 3930 156 5,1 - -

\УС-5,4%Со-2,6%№ 4,3 88,0 2733 4667 150 4,4 - -

\УС-5,4%Со-2,6%№ 9,0 86,5 2249 3604 196 6,5 - -

\УС-6,7%Со-3,3%№ 4,4 87,5 3031 4329 189 6,0 - -

\УС-6,7%Со-3,3%№ 8,8 85,0 2425 3314 234 8,1 - -

Величина предела прочности при сжатии и предела прочности при поперечном изгибе снижается на 15-20% (рис. 6 и 7) при одновременном увеличении предельной пластической деформации в 1,5 раза (рис. 8). Удельная работа пластической деформации при этом увеличивается в среднем на 30% (рис. 9), повышается вязкость разрушения и циклическая долговечность при многократном ударе, твердость по Роквеллу (HRA) несколько снижается. Наблюдаемое снижение пределов прочности при сжатии и изгибе является вполне допустимым. Их величины и в этом случае удовлетворяют условию двукратного запаса прочности в соответствии с результатами расчета приведенного выше, как для средних усилий на инструменте, так и для случая возникновения пиковых нагрузок.

В табл. 3 показано как влияет рост пластичности при увеличении зернистости сплавов WC-Co на величину работы разрушения, представляющую собой сумму работ упругой и пластической деформации. Значения работы упругой деформации были рассчитаны по формуле

Л — *£У" — сж

уп 2 2-Е'

Таблица 3

Деформационные характеристики при сжатии армирующих твердых _сплавов \УС-Со с различной зернистостью_

Состав, % вес. dwc, мкм Е, ГПа От, МПа МПа МДж/м3 А„, МДж/м3 А, МДж/м' Ауп, % Ап, %

WC-8%Co 4,2 мкм 590 2107 4057 14 118 132 11% 89%

WC-8%Co 9,4 мкм 580 1698 3512 11 158 169 6% 94%

WC- 10%Со 4,1 мкм 575 1960 3854 13 142 155 8% 92%

WC-10%Co 7,0 мкм 560 1572 3643 12 174 186 6% 94%

Как видно из табл. 3, величина работы разрушения при сжатии сплавов 'М'С-Со практически полностью определяется величиной работы пластической деформации. Не смотря на снижение предела прочности при сжатии с увеличением среднего размера зерна карбидной составляющей с 4 до 7-9 мкм, величина работы разрушения при сжатии увеличивается на 28% для сплава ^^-8%Со и на 20% для сплава '^-тСо. Иными словами, рост пластичности при увеличении зернистости сплавов ^С-Со оказывает большее влияние на величину работы разрушения, чем снижение статической прочности.

Замена кобальтовой связки на кобальт-никелевую с соотношением содержания кобальта и никеля 2:1 способствует повышению пластичности при одновременном увеличении прочности при сжатии и изгибе на 5-15%. Величина удельной работы пластической деформации при этом увеличивается на 20-30% (см. рис. 6-9). Твердость сплавов ^С-Со-№ находится на том же уровне, что и сплавов ^С-Со (см. табл. 2).

3500

3000

2.2500

Гэ*

2000

1500

5 Б 7 В 9 10 11 12 13

Количество связки,% вес.

Рис. 6. Зависимость предела прочности при изгибе армирующих твердых сплавов от их состава и структуры

1 3031

г?т ?-2бЗб "" >2783

•С г 1-2440 >2425 22БЗ

— □— \МС-Со С4 УУС-Со (9 ■УУС-Со-М мкм) мкм) (4 мкм) (9 мкм)

Количество связки, % вес.

Рис. 7. Зависимость предела прочности при сжатии армирующих твердых сплавов от их состава и структуры

10,0 9.0 8,0 7,0 6,0

а*

4,0 3,0 2,0 1.0 0,0

Рис.

Я 1

7,6

1г<1 — 1 '"5,2"" ~ ---! у 5,3

Иг

_ \Л(С-Со (4 №м) \ЛС-Са (9 мкм) ■УЧС-Со-М (4 мкм) -■УУС-Со-М (9 мш)

— о—

8 9 10

Количество связки, % вес.

8. Зависимость предельной пластической деформации при сжатии армирующих твердых сплавов от их состава и структуры

300

250

200

И 50

100

>234

>"Г5б >п11ь 1189 ] 174 > 178

гги { ^ < >"142

— *— УЧС-Са (4 мкм) — о— УУС-Со(Эмш) —±—\Л/С-Со-№ (4 мкм) 0 \AjC-Co-Ni (9 мкм)

8 9 10

Количества связки, % вес.

Рис. 9. Зависимость удельной работы пластической деформации при сжатии армирующих твердых сплавов от их состава и структуры

Легирование сплава WC-12%Co карбидом тантала приводит к тому, что предел прочности при поперечном изгибе увеличивается на 24% (см. табл. 2). Добавка карбида тантала замедляет рост зерна WC в сплаве, что способствует повышению предела прочности при сжатии, пластичность сплава несколько снижается. Повышение пластичности за счет увеличения размера зерна в данном случае затруднено, но его можно достичь повышением содержания кобальта, тем более что в литературе имеются данные, указывающие на существенное повышение жаропрочности сплавов, легированных карбидом тантала.

Однако, на наш взгляд, применение сплавов с карбидом тантала в режущем инструменте для разрушения прочных и абразивных горных пород не совсем оправдано в силу того, что величина достижимого эффекта несоизмерима с удорожанием твердого сплава вследствие высокой стоимости карбида тантала. Повышение пластичности и жаропрочности в данном случае возможно другими, более доступными методами. Тем не менее, эти сплавы окажутся незаменимыми в тех областях, где стойкость инструмента в большей степени определяется величиной прочности при изгибе (растяжении), а не прочности при сжатии и где для повышения пластичности невозможно пойти на компромисс за счет некоторого снижения прочности, например, в ударно-вращательном буровом инструменте или в режущем инструменте для разрушения бетона.

Таким образом, результаты лабораторных испытаний армирующих твердых сплавов полностью подтвердили оба высказанных предположения о положительном влиянии увеличения размера зерна карбидной фазы и замены одной трети кобальтовой связки никелем на пластичность твердого сплава. Кроме того, использование состава ^-33%№ дополнительно позволило повысить прочностные характеристики твердых сплавов для оснащения режущего инструмента.

На основании полученных положительных результатов для проведения дальнейших исследований были изготовлены опытные образцы поворотных резцов РГ501, армированных особокрупнозернистыми твердыми сплавами WC-8%Co, WC-5,4%Co-2,6%Ni и WC-6,7%Co-3,3%Ж

4. Исследование закономерностей изнашивания разработанного твердосплавного режущего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород

Износостойкость поворотных резцов РГ501 с различными вариантами армировки оценивалась в сравнении с серийными резцами РГ501, оснащенными твердым сплавом ВК8КС. Опыты проводились на стенде, оборудованном на базе продольно-строгального станка при резании двух блоков песчаника с контактной прочностью Рк=560МПа и Рк=755МПа.

На рис. 10 приведены зависимости износа резцов РГ501 с различными вариантами армировки от объема разрушенного песчаника с контактной прочностью Рк=560МПа (предел прочности при одноосном сжатии СТсж^ОМПа, показатель абразивности по Барону-Кузнецову а=23мг). Толщина стружки к =10 мм, шаг резания / = 20 мм, угол атаки резца 45°, угол разворота 8°.

—о—ВК8КС (3,5-4,5 мим) —УЧС-8%Са (Змки) —о—,7%Со-3 .З^М (9 и км) —УУС-5,4%Со-2,6"Ш (9 мкм)

----1- .............

О 0,025 0,05 0,075 0,1

Рис. 10. Кривые износа резцов РГ501 с различными вариантами армировки при разрушении песчаника с контактной прочностью Рк=560МПа

Износ резца, армированного особокрупнозернистым твердым сплавом ^С-8%Со на 18-20% ниже, чем серийного резца, армированного сплавом ВК8КС. Это полностью согласуется с приведенными выше рассуждениями и значениями работы разрушения для двух этих сплавов (см. табл. 3). Повышение ресурса пластичности сплава с 8% кобальта при увеличении размера зерна карбидной фазы с 4,2 мкм (ВК8КС) до 9,4 мкм оказало большее влияние на работоспособность режущего инструмента, чем снижение статической прочности армирующего твердого сплава.

При сравнении износостойкости резцов, армированных особокрупнозернистыми сплавами ^С-8%Со и ^С-5,4%Со-2,6%№ видно, что замена кобальтовой связки в армирующем твердом сплаве на кобальт-никелевую с соотношением содержания кобальта и никеля 2:1 приводит к снижению износа резцов на 16-18%.

Наибольшее снижение величины износа наблюдается для резцов, армированных особокрупнозернистыми сплавами ^С-Со-№ с соотношением Со/№ 2:1, где суммарный эффект от увеличения зернистости и замены одной трети кобальта в связке на никель заключается

в снижении износа на 25% для резца, армированного сплавом ^С-6,7%Со-3,3%№ и на 33% для резца армированного сплавом ^С-5,4%Со-2,6%№.

Не смотря на то, что величина удельной работы пластической деформации для первого сплава почти на 20% выше, чем для второго, износ резца, оснащенного им, все же выше, что объясняется меньшей твердостью первого сплава (85ИИА против 86,5ИИА). Такое снижение твердости оказалось недопустимым и определило увеличение износа при резании песчаника с абразивностью а=23мг.

Это подтверждают результаты опытов по резанию блока более прочного и менее абразивного песчаника с контактной прочностью Рк"755МПа (предел прочности при одноосном сжатии Ссж^ЗМПа, показатель абразивности по Барону-Кузнецову я=18мг), приведенные на рис. 11. Параметры режима резания такие же, как и в первом случае: толщина стружки к =10 мм, шаг резания Г = 20 мм, угол атаки резца 45°, угол разворота 8°.

-Л—ВКЕ « WC WC КС (3,5-4,5 ккы) 5,4%Со-2,8%М (9 мхм) -6,7%Со-3,3%М (9 мкм)

0 0.025 0.05 0,075 0,1

V..M5

Рис. 11. Кривые износа резцов РГ501 с различными вариантами армировки при разрушении песчаника с контактной прочностью Рк=755МПа

В данном случае износ резца, армированного сплавом WC-6,7%Co-3,3%Ni, оказался ниже, чем армированного сплавом WC-5,4%Co-2,6%Ni. По сравнению с серийным резцом РГ501 износ резцов, оснащенных указанными сплавами, соответственно на 35% и на 30% ниже.

Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с изложенным выше теоретическим обоснованием и результатами аналитических расчетов.

Натурные испытания резцов РГ501, армированных сплавом WC-5,4%Co-2,6%Ni, проводились при проходке вентиляционного штрека №418 на шахте "Первомайская" ОАО "УК "Кузбассуголь" проходческим комбайном S-100. Коэффициент присечки боковых пород составлял 0,78. Более чем 70% (в среднем по участку - 73%) общей площади присечки боковых пород приходилось на породы основной кровли с пределом прочности при одноосном сжатии 60-90МПа. Средневзвешенное значение предела прочности при сжатии разрушаемых пород - 62МПа, показателя абразивности по Барону-Кузнецову - 12мг. Всего было разрушено 306 м3 породы.

Результаты проведенных испытаний свидетельствуют о том, что в идентичных условиях проходки, удельный расход резцов со вставками из сплава WC-5,4%Co-2,6%Ni (0,13 шт/м3) на 32% ниже, чем серийных, оснащенных сплавом ВК8КС (0,19 шт/м3). Потери рабочего времени на замену резцов сокращены на 37%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой решена актуальная научная задача повышения эффективности процесса разрушения прочных и абразивных горных пород режущим инструментом за счет использования новых материалов для его армировки.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Выявлено, что серийный режущий инструмент имеет ограниченную область применения, обусловленную резким повышением расхода инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород.

2. Установлено, что эффективность процесса разрушения прочных и абразивных горных пород режущим инструментом в большей степени определяется ресурсом пластичности армирующего твердого сплава, чем величиной его статической прочности.

3. Научно обосновано и экспериментально установлено, что износостойкость режущего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород может быть повышена на 18-20% за счет использования для его армировки особокрупнозернистых твердых сплавов на основе карбида вольфрама ^т=7-9 мкм), обладающих повышенным ресурсом пластичности по сравнению с используемыми в настоящее время серийными сплавами ^ж=3,5-4,5 мкм).

соотношением содержания кобальта и никеля 2:1, обладающих большей прочностью и пластичностью, чем сплавы WC-Co.

5. Для армирования режущего инструмента для разрушения прочных и абразивных горных пород наиболее эффективно применение твердосплавных режущих вставок из сплавов следующих составов:

- WC-5,4%Co-2,6%Ni ^^=8-9 мкм) - для разрушения пород с прочностью при сжатии до 60 МПа и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а до 23 мг;

- WC-6,7%Co-3,3%Ni ^^ = 8-9 мкм) - для разрушения пород с прочностью при сжатии до 80 МПа и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а до 18 мг.

6. Использование разработанного режущего инструмента позволяет расширить область эффективного применения серийных проходческих комбайнов на прочные и абразивные горные породы.

7. Применение особокрупнозернистых твердых сплавов WC-Co и WC-Co-Ni для армирования режущего инструмента позволяет значительно снизить его расход при разрушения прочных и абразивных горных пород. В идентичных условиях проходки (породы со средневзвешенной прочностью при сжатии и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а=16мг) расход резцов РГ501, армированных особокрупнозернистым сплавом WC-5,4%Co-2,6%Ni, на 32% ниже, чем серийных. Потери рабочего времени на замену режущего инструмента сокращены на 37%. При этом себестоимость режущих вставок из сплавов WC-Co-Ni на 10-12% ниже, чем аналогичных из сплавов WC-Co.

8. Результаты работы могут быть использованы для повышения эксплуатационных характеристик других видов твердосплавного инструмента, работающего в условиях воздействия интенсивных нагрузок, абразивного износа и повышенных температур. Так, проведенные испытания показали, что ресурс работы режущей системы автогрейдера ДЗ-122, оснащенной особокрупнозернистым сплавом WC-5,4%Co-2,6%Ni, превосходит ресурс работы серийной режущей системы на 25-30%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мультанов А.С., Фальковский В.А., Чистякова В.А. Твердые сплавы для армирования резцов горных и дорожных машин. // Техника и технология открытой и подземной разработки месторождений: Науч. сообщ. / ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 2000. - Вып. 317. -с.79-92.

2. Мультанов А.С. Перспективы использования особокрупнозернистых твердых сплавов для оснащения инструмента горных машин. // Техника и технология открытой и подземной разработки месторождений: Науч. сообщ. / ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. -М., 2001.-Вып. 318.-с. 189-197.

3. Мультанов А.С. Особокрупнозернистые сплавы WC-Co для армирования резцов горных машин. // "Горные машины и автоматика", №10,2002.-с. 38-0.

4. Мультанов А.С. Особокрупнозернистые сплавы WC-Co для оснащения породоразрушающего инструмента горных машин. // "Физическая мезомеханика", том 5, № 4 (август), 2002. - с. 113-116.

5. Мультанов А.С. К вопросу о возможности замены кобальтовой связки в твердых сплавах для оснащения породоразрушающего инструмента. // Техника и технология открытой и подземной разработки месторождений: Науч. сообщ. / ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского. -М., 2003.-Вып. 323.-с. 167-177.

Подписано в печать 24.05.2004. Формат 60x90 1/16. Печать цифровая. Бумага "Performer". Печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 7693

Отпечатано в ФГУП «Производственно-издательский комбинат ВИНИТИ», 140010, г. Люберцы Московской обл.,Октябрьский пр-т, 403. Тел. 554-21-86.

»4-138 50

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Мультанов, Андрей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА

1.1. Общие вопросы создания и совершенствования режущего инструмента

1.2. Исследования процесса разрушения горных пород резцовым инструментом

1.3. Твердые сплавы, применяемые для армирования режущего инструмента

1.4. Цель и задачи исследования

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Методика проведения экспериментальных исследований физико-механических свойств армирующих твердых сплавов

2.2. Методика проведения экспериментальных исследований износостойкости режущего инструмента

2.3. Обработка экспериментальных данных

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ

ПРОЧНЫХ И АБРАЗИВНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

3.1. Анализ напряженно-деформированного состояния и физических условий работы режущего инструмента

3.2. Теоретические предпосылки направленного изменения физико-механических свойств режущей вставки

3.3. Выводы по разделу

4. ИЗЫСКАНИЕ СПОСОБОВ НАПРАВЛЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АРМИРУЮЩИХ

ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СОЗДАНИЮ

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ПРОЧНЫХ

И АБРАЗИВНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

4.1. Исследование влияния структуры и состава карбидной фазы

4.2. Исследование влияния состава связующей фазы

4.3. Выводы по разделу 88 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗНАШИВАНИЯ

РАЗРАБОТАННОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ

РАЗРУШЕНИИ ПРОЧНЫХ И АБРАЗИВНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

5.1. Исследование закономерностей изнашивания разработанного режущего инструмента при резании на стенде

5.2. Исследование возможности расширения области эффективного применения серийных проходческих комбайнов, оснащенных разработанным режущим инструментом на прочные и абразивные породы

5.3. Дополнительные области применения разработанного твердосплавного инструмента

5.4. Выводы по разделу 99 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 103 ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка твердосплавного режущего инструмента для разрушения прочных и абразивных горных пород"

Одной из основных научно-технических проблем развития технологии механического разрушения горных пород является расширение области применения серийных проходческих комбайнов на более прочные и абразивные породы, а также повышение их производительности и надежности.

Выполненный в ИГД им. А.А. Скочинского анализ горногеологических условий перспективных шахт основных угольных месторождений России [1] показал, что около 70-80% объемов горноподготовительных работ можно достаточно эффективно выполнять проходческими комбайнами легкого (30-35%) и среднего (40-45%) типов, получившими наибольшее распространение в отечественной практике. Однако, основным фактором, сдерживающим увеличение объемов комбайновой проходки, является существенное повышение расхода режущего инструмента при разрушении горных пород с прочностью при сжатии более 50МПа и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а>10-12 мг [2-3]. Это, естественно, ставит новые задачи по созданию породоразрушающего инструмента с повышенной прочностью и износостойкостью.

Качество резцов как прямо (через их стоимость), так и опосредованно (через затраты времени на их замену, снижение ресурсов исполнительного органа, элементов трансмиссии, приводов и других узлов комбайна) влияет на стоимость проведения горных выработок. По данным исследований, выполненных в научно-исследовательском центре ДМТ (Германия), удельный вес затрат, связанных с расходом режущего инструмента, в зависимости от горно-геологических условий может достигать 37% и более от затрат на проходку [4].

Общей реакцией производителей режущего инструмента на усложнение условий его применения обычно является увеличение размеров резцов, а также размеров и массы твердосплавных вставок (увеличение ширины режущих кромок для неповоротных резцов и увеличение отношения диаметра к длине вставки с увеличением первого для поворотных резцов) [5]. Использование такого подхода, во-первых, подразумевает использование более мощных и тяжелых комбайнов с повышенной энерговооруженностью исполнительного органа, а во-вторых, неизбежно ведет к повышению стоимости режущего инструмента и ставит под сомнение вопрос экономичности комбайновой проходки в целом.

Эффективность применения породоразрушающего инструмента в значительной степени обусловлена свойствами и качеством материала, из которого изготовлена режущая вставка. Поэтому одним из наиболее перспективных направлений исследований в вопросах повышения прочности и износостойкости режущего инструмента является изыскание новых материалов для его армировки.

Исходя из этого, целью работы является разработка износостойкого твердосплавного режущего инструмента, позволяющего эффективно разрушать прочные и абразивные горные породы серийными проходческими комбайнами.

Основная идея работы заключается в повышении эффективности процесса разрушения прочных и абразивных горных пород режущим инструментом за счет использования новых материалов для его армировки, обеспечивающих снижение интенсивности усталостного изнашивания при докритических скоростях резания и соответствующих им температурах в рабочей зоне, а также повышение критической скорости резания.

Научные положения выносимые на защиту:

2. Износостойкость режущего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород может быть повышена на 18-20% за счет использования для его армировки особокрупнозернистых (dwc=7-9 мкм и более) твердых сплавов на основе карбида вольфрама, обладающих повышенным ресурсом пластичности по сравнению с используемыми в настоящее время серийными сплавами (dwc=3,5-4,5 мкм).

3. Прочность и износостойкость режущего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород может быть повышена на 16—18% за счет использования для его армировки твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальт-никелевой связкой с соотношением содержания кобальта и никеля 2:1, обладающих большей прочностью и пластичностью, чем сплавы WC-Co.

- WC-5,4%Co-2,6%Ni (dWc=8-9 мкм) - для разрушения пород с прочностью при сжатии до 60 МПа и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а до 23 мг;

- WC-6,7%Co-3,3%Ni (dwc=8-9 мкм) - для разрушения пород с прочностью при сжатии до 80 МПа и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а до 18 мг.

Структурно диссертация состоит их введения, 5 разделов и заключения, изложенных на 122 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 117 наименований и приложения.

В первом разделе диссертации проведен анализ современного состояния исследуемого вопроса, поставлены цель и задачи исследования. Во втором - изложена методика и техника проведения экспериментальных исследований. Третий раздел диссертации посвящен обсуждению теоретических аспектов создания режущего инструмента для разрушения прочных и абразивных горных пород. Четвертый раздел посвящен изысканию способов направленного изменения физико-механических свойств армирующих твердых сплавов применительно к созданию режущего инструмента для разрушения прочных и абразивных горных пород. Пятый раздел диссертации отражает результаты исследования закономерностей изнашивания режущего инструмента с различными вариантами армировки, а также возможности расширения области эффективного применения серийных проходческих комбайнов на прочные и абразивные породы за счет использования разработанного твердосплавного режущего инструмента. В заключении сформулированы общие выводы и рекомендации.

Общей теоретической и методологической базой диссертационной работы явились научные труды отечественных и зарубежных ученых и практиков в области геомеханики и разрушения горных пород, разработки и совершенствования породоразрушающего инструмента. При решении поставленных задач исследований использовался комплексный системный подход, включающий в себя теоретические исследования, экспериментальные лабораторные исследования и натурные испытания в шахтных условиях. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась при помощи компьютерной техники с использованием методов математической статистики и теории вероятностей.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- использованием комплекса апробированных натурных и лабораторных экспериментальных методов, а также методов математической статистики и теории вероятностей при обработке результатов экспериментов;

- положительными результатами натурных испытаний разработанного режущего инструмента в шахтных условиях.

Элементы научной новизны диссертации:

- Установлено, что эффективность процесса разрушения прочных и абразивных горных пород режущим инструментом в большей степени определяется ресурсом пластичности армирующего твердого сплава, чем величиной его статической прочности.

Личный вклад автора состоит:

Практическое значение работы заключается в следующем:

- Применение особокрупнозернистых твердых сплавов WC—Со и WC— Co-Ni для армирования режущего инструмента позволяет значительно снизить его расход при разрушения прочных и абразивных горных пород. В идентичных условиях проходки (породы со средневзвешенной прочностью при сжатии асж=62МПа и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а=16мг) расход резцов РГ501, армированных особокрупнозернистым сплавом WC-5,4%Co-2,6%Ni, на 32% ниже, чем серийных. Потери рабочего времени на замену режущего инструмента сокращены на 37%.

Основные научные положения диссертации докладывались на семинарах ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского в 2001-2004 гг. Материалы работы были представлены на Всероссийском открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Российской Федерации в 2001 г. и отмечены медалью "За лучшую научную студенческую работу".

По материалам диссертации опубликовано 5 статей, ссылки на которые даны по тексту работы.

Результаты исследований использованы при производстве поворотных резцов нового технического уровня, отличающихся повышенной прочностью и износостойкостью от аналогов, армированных твердыми сплавами группы ВК-КС. При этом себестоимость режущих вставок из сплавов WC—Co-Ni на 10-12% ниже, чем аналогичных из сплавов WC-Co.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Мультанов, Андрей Сергеевич

8. Результаты работы могут быть использованы для повышения эксплуатационных характеристик других видов твердосплавного инструмента, работающего в условиях воздействия интенсивных нагрузок, абразивного износа и повышенных температур. Так, проведенные испытания показали, что ресурс работы режущей системы автогрейдера ДЗ-122, оснащенной особокрупнозернистым сплавом WC—5,4%Со—2,6%Ni, превосходит ресурс работы серийной режущей системы на 25-30%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

3. Научно обосновано и экспериментально установлено, что износостойкость режущего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород может быть повышена на 18—20% за счет использования для его армировки особокрупнозернистых твердых сплавов на основе карбида вольфрама (dWc=7-9 мкм), обладающих повышенным ресурсом пластичности по сравнению с используемыми в настоящее время серийными сплавами (dwc^ ,5—4,5 мкм).

4. Научно обосновано и экспериментально установлено, что прочность и износостойкость режущего инструмента при разрушении прочных и абразивных горных пород может быть повышена на 16-18% за счет использования для его армировки твердых сплавов WC-Co-Ni с соотношением содержания кобальта и никеля 2:1, обладающих большей прочностью и пластичностью, чем сплавы WC-Co.

- WC-6,7%Co-3,3%Ni (dWc=8-9 мкм) - для разрушения пород с прочностью при сжатии до 80 МПа и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а до 18 мг.

7. Применение особокрупнозернистых твердых сплавов WC-Co и WC-Co-Ni для армирования режущего инструмента позволяет значительно снизить его расход при разрушения прочных и абразивных горных пород. В идентичных условиях проходки (породы со средневзвешенной прочностью при сжатии асж=62МПа и показателем абразивности по Барону-Кузнецову а=16мг) расход резцов РГ501, армированных особокрупнозернистым сплавом WC-5,4%Co-2,6%Ni, на 32% ниже, чем серийных. Потери рабочего времени на замену режущего инструмента сокращены на 37%. При этом себестоимость режущих вставок из сплавов WC-Co-Ni на 10-12% ниже, чем аналогичных из сплавов WC-Co.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Мультанов, Андрей Сергеевич, Москва

1. Позин Е.З., Мультанов С.И., Мерзляков В.Г. Состояние и основные направления фундаментальных исследований в области разрушения угля и горных пород. // "Горный вестник", № 1, 1991. С. 122126.

2. Глатман Л.Б, Леванковский И.А., Мультанов С.И. Основные аспекты создания новых поколений поворотных резцов для разрушения горных пород. // "Горный вестник", № 2, 1993. С. 54-60.

3. ГОСТ Р 51047-97. Резцы для очистных и проходческих комбайнов. Общие технические условия. М.: Издательство стандартов, 1997.- 19 С.

4. Клочко Н.А. Процесс развития напряжений и деформаций в паянном соединении твердого сплава со сталью при охлаждении после пайки. // Твердые сплавы: Науч. тр. / ВНИИТС. М.: Металлургия, 1970. -№10. - С. 36-44.

5. Имшенник К.П., Бухман Н.А. Технология пайки твердосплавного инструмента. М.: Машгиз, 1959. - 159 С.

6. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Губенков Е.К. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. М.: Наука, 1968. - 216 С.

7. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Загорский С.Л. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Разрушение шарошками. — М.: — Наука, 1969.-152 С.

8. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Алехова З.Н. и др. Разрушение горных пород проходческими комбайнами. Разрушение тангенциальными инструментами. -М.: Наука, 1973. 172 С.

9. Худин Ю.Л., Маркман Л.Д., Вареха Ж.П., Цой П.М. Разрушение горных пород комбинированными исполнительными органами. — М.: Недра, 1978.-224 С.

10. Мультанов С.И. Установление рациональных параметров геометрии и режима работы штыревых шарошек проходческих комбайнов: Дис. канд. техн. наук. -М, 1981.-225 С.

11. П.Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород. М.: Московский институт радиоэлектроники и горной электромеханики, 1966. — 93 С.

12. Шрейнер JI.A. Физические основы механики горных пород. М.: Гостоптехиздат, 1950. - 212 С.

13. Байдюк Б.В., Павлова Н.Н. Механизм деформации и разрушения горных пород при вдавливании штампа. В. кн.: Механические свойства горных пород при вдавливании и их практическое использование. - М.: ВНИИОЭНГ, 1966, С. 15-30.

14. Исследование взаимодействия инструмента и горной породы при ударном разрушении. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1967. — 61 С.

15. Спивак А.И. Механика горных пород. -М.: Недра, 1967. 192 С.

16. Черепанов Г.П. Механика разрушения горных пород в процессе бурения. М.: Недра, 1987. - 308 С.

17. Моделирование разрушения углей режущими инструментами. // под ред. Красникова Ю.Д. -М.: Наука, 1981. 181 С.

18. Ильницкая Е.И., Тедер Р.И., Ватолин Е.С., Кунтыш М.Ф. Свойства горных пород и методы их определения. М.: Недра, 1969. - 392 С.

19. Физико-механические свойства, давление и разрушение горных пород. Выпуск 1. -М.: Издательство Академии наук СССР, 1962 284 С.

20. Кащеев В.Н. Абразивное разрушение твердых тел. М.: Наука, 1970.-248 С.

21. Мультанов С.И. Влияние дополнительной обнаженной поверхности на процесс разрушения горных пород штыревой шарошкой. //

22. Комплексная механизация проведения горных выработок: Науч. сообщ. / ИГД им. А.А. Скочинского. М., 1979. - Вып. 178. - С. 16-20.

23. Мультанов С.И. Силовые показатели процесса разрушения горных пород штыревыми шарошками в кутке забоя. // Комплексная механизация проведения горных выработок: Науч. сообщ. / ИГД им. А.А. Скочинского. — М., 1979.-Вып. 179. С. 38—41.

24. ОСТ 12.44.197-81. Комбайны проходческие со стреловидным исполнительным органом. Расчет эксплуатационной нагруженности трансмиссии исполнительного органа. М.: Минуглепром СССР, 1981. 48 С.

25. Глатман Л.Б., Яшина Л.С., Букчин С.Г. Определение оптимального шага резания горных пород. // Научные сообщения ИГД им. А.А. Скочинского. М., 1985. - Вып. 240. - С. 6-10.

26. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Яшина Л.С. Методика испытания горных пород на статическое откалывание. М.: ИГД им А.А. Скочинского. - 1980.-6 С.

27. Яшина Л.С. Классификация горных пород по сопротивляемости статическому откалыванию и хрупко-пластическим свойствам. // Новые методы разрушения углей и горных пород: Науч. сообщ. / ИГД им. А.А. Скочинского. М., 1980. - Вып. 189. - С. 37-43.

28. Мультанов С.И. Научные основы расчета процессов разрушения горных пород проходческими комбайнами общепромышленного испециального назначения: Дис. докт. техн. наук. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1990. - 396 С.

29. Мультанов С.И., Леванковский И.А., Удачина Т.Е. Создание режущего инструмента для экскавационных машин типа "Surface Miner". // Открытые горные работы. 1999. - Пилотный номер.

30. Кусов А.Е., Браженцев А.В., Браженцев В.П. Распределение напряжений в породоразрушающих зубках буровых шарошечных долот. -М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1996. 104 С.

31. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Износ инструмента при резании горных пород. М.: Недра, 1969. 168 С.

32. Методика расчета резцов на прочность и долговечность. — М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1986. 61 С.

33. Загорский С.Л. Исследование взаимодействия резцового и дискошарошечного инструментов проходческих комбайнов с абразивными горными породами: Дис. докт. техн. наук. -М., 1972. 186 С.

34. Нацвлишвили В.З. Установление нагрузок на поворотных резцах в процессе их изнашивания при работе проходческих комбайнов: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тбилиси, 1982. - 15 С.

35. Чавчанидзе К.Г. Разработка методов расчета износостойкости и нагруженности поворотных резцов проходческих комбайнов: Автореф. дис. канд. техн. наук. Тбилиси, 1989. - 24 С.

36. Барон Л.И., Глатман Л.Б., Губенков Е.К. Критерии и методы измерения износа режущего инструмента для горных пород. М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1961. - 56 С.

37. Крапивин М.Г., Раков И .Я., Сысоев Н.И. Горные инструменты. — М.: Недра, 1990.-256 С.

38. Дриш С. Исследование по выбору конических резцов и экономичной скорости резания для проходческих комбайнов избирательного действия. // Глюкауф (русс.). 1992. — № 5. - С. 91-97.

39. Кляйнерт Х.-В. Состояние технологии разрушения пород исполнительными органами комбайнов избирательного действия. // Глюкауф (русс.). 1989. - № 15/16. - С. 25-31.

40. Глатман Л.Б., Леванковский И.А., Мультанов С.И. Определение критической скорости резания горных пород поворотными резцами. // Научные сообщения ИГД им. А.А. Скочинского. М., 1994. - Вып. 300. - С. 149-155.

41. Дриш С., Кляйнерт Х.-В., Хаф Е. Новые материалы режущих вставок резцов проходческих комбайнов избирательного действия. // Глюкауф (русс.). 1992. -№ 5. - С. 85-90.

42. Driesch S., Kleinert H.-W., Haaf J. Neue Werkstoffe als Sheideinsatz im Meisel fur Teilschnitt Vortriebsmaschinen. // Gluckauf Forschungshefte. -1991. -№3. — S. 89-94.

43. Скоробогатов C.B. Исследование основных закономерностей износа режущего инструмента породопроходческих комбайнов: Автореф. дис. канд. техн. наук. Москва, 1967. - 18 С.

44. Арцимович Г.В. Механофизические основы создания породоразрушающего бурового инструмента. Новосибирск: Наука, 1985. -268 С.

45. Креймер Г.С., Баранов А.И., Алексеева Н.А. Прочность, твердость и вязкость металлокерамических твердых сплавов WC-Co в зависимости от состава, структуры и температуры испытания. // Науч. тр. / ВНИИТС. — М.: Металлургия, 1960. №2. - С. 57-58.

46. Линдо Г.В., Чистякова В.А. Спеченные твердые сплавы для горного инструмента. Обзорная информация. Выпуск 2. — М.: Цветная металлургия, 1990.

47. Чистякова В.А. Новые марки твердых сплавов для армирования горного инструмента. // Цветная металлургия. — 1998. №8. — С. 56-58.

48. Агаев С.Г. Системный подход к управлению технологическим процессом разрушения горных пород. М.: Недра, 1993. - 304 С.

49. ГОСТ 9391-80. Сплавы твердые металлокерамические. Методы определения микроструктуры. М.: Издательство стандартов, 1980.

50. ГОСТ 20018-74. Сплавы твердые спеченные. Определение плотности. — М.: Издательство стандартов, 1974.

51. ГОСТ 20017-74. Сплавы твердые спеченные. Метод определения твердости по Роквеллу. М.: Издательство стандартов, 1974.

52. ГОСТ 20019-74. Сплавы твердые спеченные. Определение предела прочности при поперечном изгибе. М.: Издательство стандартов, 1974.

53. ИСО 3327-75. Твердые сплавы. Определение прочности при поперечном изгибе. М.: Издательство стандартов, 1975.

54. Фальковский В.А. Твердые сплавы для обработки металлов давлением. — М.: НИИмаш, 1978.

55. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Том 1.- М.: Наука, 1975. 832 С.

56. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Том 2. М.: Наука, 1978. - 616 С.

57. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. Том 2.— М.: Мир, 1969.-863 С.

58. Шемякин Е.И. Критерии необратимого деформирования и разрушения горных пород. // Техника и технология открытой и подземной разработки месторождений: Науч. сообщ. / ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского. - М., 2000. - Вып. 317. - С. 3-12.

59. Шемякин Е.И. Синтетическая теория прочности. Часть I. // "Физическая мезомеханика", том 2 № 6, 1999. С. 63-69.

60. Шемякин Е.И. Синтетическая теория прочности. Часть II. О диссипативной функции в моделях упругопластических сред. // "Физическая мезомеханика", том 3 № 5, 2000. — С. 11-17.

61. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. Киев.: Наукова думка, 1984. - 325 С.

62. Разрушение. Том 1. Микроскопические и макроскопические основы механики разрушения. // под ред. Ишлинского А.Ю. М.: Мир, 1973. -616С.

63. Разрушение. Том 6. Разрушение металлов. // под ред. Бернштейна M.JI. М.: Металлургия, 1976. - 496 С.

64. Разрушение. Том 7. Разрушение неметаллов и композитных материалов. Часть I. Неорганические материалы. // под ред. Работнова Ю.Н. -М.: Мир, 1976.-634 С.

65. Мультанов A.C. Особокрупнозернистые сплавы WC-Co для армирования резцов горных машин. // Техника и технология открытой и подземной разработки месторождений: Науч. сообщ. / ННЦ ГП ИГД им. А.А. Скочинского. -М., 2001. - Вып. 320. - С. 160-167.

66. Мультанов А.С. Особокрупнозернистые сплавы WC-Co для армирования резцов горных машин. // "Горные машины и автоматика", № 10, 2002.-С. 38-40.

67. Мультанов А.С. Особокрупнозернистые сплавы WC-Co для оснащения породоразрушающего инструмента горных машин. // "Физическая мезомеханика", том 5 № 4 (август), 2002. С. 113-116.

68. Фальковский В.А. Теоретические основы разработки и исследование твердых сплавов для бесстружковой обработки металлов: Дис. докт. техн. наук. -М., 1997. 269 С.

69. Чапорова И.Н., Пивоваров JI.E., Ивенсен В.А. и др. Исследование изменений в структуре сплавов WC-Co при пластической деформации. // Порошковая металлургия, 1969, №5, С. 63-68.

70. Креймер Г.С. Прочность твердых сплавов. М.: Металлургия, 1966.-200С.

71. Панов B.C., Чувилин A.M. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. М.: МИСиС, 2001. - 428 С.

72. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976. - 528 С.

73. Киффер Р., Бенезовский Ф. Твердые сплавы. М.: Металлургия, 1972.-392 С.

74. Креймер Г.С., Туманов В.И., Каменская Д.С. и др. О пределе прочности и механизме разрушения металлокерамических твердых сплавов WC-Co при сжатии. Физ. мет. и металловедение, 1967, т. 17, № 4, с. 572577.

75. Чернявский К.С., Травушкин Г.Г. Современные представления о связи структуры и прочности твердых сплавов WC-Co. // Проблемы прочности, 1980, №4,-С. 11-19.

76. Чапорова И.Н., Чернявский К.С. Структура спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1975. - 248 С.

77. Blum O.J. Einsatzkriterien fur Hartmetall in Werkzeugen der Massivumformung. // Draht. 1985. - V. 33. - № 5. - S. 266-270.

78. Чапорова И.Н., Кудрявцева В.И., Вараскина A.B. Исследование структуры и свойств сплавов системы WC-Fe-Ni. // Твердые сплавы: Науч. тр. / ВНИИТС. М.: Металлургия, 1973. - №12. - С. 84-91.

79. Кудрявцева В.И., Чапорова И.Н., Сапронова З.Н. Структура и свойства твердого сплава с железоникелевой связкой. // Металловедение и терм, обраб. металлов. М.: Металлургия, 1978. - №5. — С. 36-37.

80. Чапорова И.Н., Щетилина Е.А., Сереброва С.И. О влиянии состава цементирующих фаз на некоторые механические свойства металлокерамических твердых сплавов WC-Co и WC-Ni. // Науч. тр. / ВНИИТС. М.: Металлургия, 1960. - №2. - С. 3.

81. Чапорова И.Н., Сапронова З.Н., Дежкина Н.И., Карасев Г.Ф. Механические и эксплуатационные свойства твердых сплавов WC-Re-Co. // В сб.: Науч. тр. /М.: ВНИИТС, 1991. С. 30-34.

82. Севостьянова И.Н. Механические свойства и деформационное поведение твердых сплавов WC-(Fe-Mn-C): Автореф. дис. канд. техн. наук. -Томск, 2000.- 19 С.

83. Житнов С.В., Давыдов Н.Г., Братчиков С.Г. Высокомарганцевые стали. М.: Металлургия, 1995. - 304 С.

84. Adler Р.Н., Olson G.B., Owen W.S. Met. Trans. A, 1986, v. 17, № 10, p. 1725.

85. Теплов B.A., Коршунов Л.Г., Шабашов B.A. и др. Физ. мет. и металловедение, 1988, т. 66, № 3, с. 563.

86. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть I. Дефекты решетки. — М.: Металлургия, 1982. 280 С.

87. Новиков И.И., Розин К.М. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки. М.: Металлургия, 1990. - 336 С.

88. Фридель Ж. Дислокации. М.: Мир, 1967.

89. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть II. Деформация. М.: МИСИС, 1997.-527 С.

90. Штремель М.А., Коваленко И.А. Физ. мет. и металловедение, 1987, т. 63, № 1, с. 172.

91. Pfaff F. Zs. Metallkunde, 1962, Bd. 53, N6, S. 411.

92. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем, т. 1. — М: Металлургия, 1996.

93. Koster Е.Н., Tholen A.R., Howie А. Phil. Mag., 1964, v. 10, № 108, p. 1093.

94. RemyL.-Met. Trans. A, 1981, v. 12, №3, p. 387.

95. Чайдек И. Ползучесть металлических материалов: Пер. с чешек. -Мир, 1978.-С. 304.

96. Argon A.S., Takeuchi S. Acta Met., 1981, v. 29, N11, p. 1877.

97. Wen X., Quing-Ping K. Phil. Mag. A, 1987, v. 56, N3, p. 433.

98. Кучеряев Б.В. Механика сплошных сред. (Теоретические основы обработки давлением композитных металлов). М.: МИСИС, 2000. - 320 С.

99. Писаренко Г.С., Руденко В.Н., Третьяченко Г.И., Трощенко В.Т. Прочность материалов при высоких температурах. — Киев: Наукова думка, 1966.-794 С.

100. Kong О.Р., Li Y. Phil. Mag. A, 1993, v. 68, N1, p. 113.

101. Thornton P.R., Mitchell Т.Е. Phil. Mag., 1962, v. 7, N75, p. 361.

102. Берон Л.И., Казанский А.С., Лейбов Б.М., Позин Е.З. Резание угля. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу, 1962. - 439 С.

103. ГОСТ 880-75. Изделия твердосплавные для горных инструментов. Формы и размеры. — М.: Издательство стандартов, 1975.

Информация о работе

Мультанов, Андрей Сергеевич
кандидата технических наук
Москва, 2004
ВАК 25.00.20

Диссертация

Разработка твердосплавного режущего инструмента для разрушения прочных и абразивных горных пород - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы