КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к режущим инструментам. Оно может быть использовано преимущественно в буровой технике, например, для получения режущей кромки на поверхности фрезы, т.е. для формирования рабочего органа скважинных фрезеров, применяемых при бурении скважин, зарезки “окна” в обсадной колонне, при восстановлении скважин фрезерованием и т.д. Композиция может быть использована для всех режущих инструментов, используемых при аварийно-восстановительных работах в нефтяных и газовых скважинах (фрезеров забойных, кольцевых комбинированных, пилотных, райберов, труборезок и т.д.).

Известны композиционные материалы [1-4] для оснащения фрезерного инструмента. Композиционный материал [1] используют в виде прутка, наплавляя его на рабочую поверхность скважинного фрезера. Композит состоит из припоя, флюса и дробленного твердого сплава. В качестве твердого сплава рекомендуется использовать сплавы на основе карбида вольфрама (ВК-2-ВК-15) в виде пластин, а в качестве припоя используют латуни, т.е. медно-цинковые припои, например МНЦ - 65-20-15 (Cu - 65%, Ni - 15%, Zn - 20%) [2] или припой [3], содержащий Cu - 62-68%, Ni - 3-4%, Mn - 1,5-2,0%, Si - 0,2, Zn - остальное, в качестве флюса используют буру, борную кислоту с бурой. Оптимальным соотношением материала связки - припоя и твердого сплава в композите - считается соотношение: 30-40% связки и 60-70% твердого сплава [4]. Композиционный материал готовят путем смешивания дробленного сплава с флюсом из расчета 5 г флюса на 250 г твердого сплава, затем смешивают эту смесь с припоем, нарезанным кусочками размером до 5 мм, помещают в форму и сплавляют при температуре 1000-1050°С в нейтральной атмосфере (аргон) или восстановительной среде (водород).

Недостатками применяемых композиционных материалов являются:

- низкая производительность режущего инструмента - скважинного фрезера из-за постоянного контакта контртела (стенки обсадной колонны) с припоем, представляющим собой сплав меди с цинком. Медь и цинк в этом случае постоянно натираются на вновь образующуюся поверхность контртела в процессе углубления скважинной фрезы при срезании слоев материала до получения сквозного отверстия в стенке обсадной колонны. Таким образом, медь и цинк припоя на поверхности контртела защищают контртело от механических воздействий, являясь смазкой. Такая смазка не позволяет режущей кромке фрезы эффективно производить зарезку контртела твердосплавной частью композиционного материала с одинаковой, что и в начале, скоростью. С увеличением глубины зарезки скважинной фрезой стенки обсадной колонны слой смазки становиться толще из-за больших усилий резания и более плотного контакта инструмента с контртелом. В связи с этим резко уменьшается скорость проходки (вскрытия окна) и производительность скважинного фрезера;

- низкая износостойкость скважинной фрезы, т.е. режущей части;

- припой-связка, содержащая цинк, выгорает как на стадии получения композиции, так и при напайке на режущий инструмент, что сильно загрязняет окружающую среду и вредит здоровью пайщика.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является композиционный материал [5], содержащий дробленный твердый сплав и связку-припой с флюсом. Он содержит 60-70% твердого сплава (ВК-6; ВК-8) и 30-40% связки (припоя) (латунь 63 или ЛМЦ) и флюса, который добавляют в количестве 5% от веса твердого сплава. Получают шихту. Подготовленную шихту сплавляют и получают композиционный материал в виде прутка, который наносят в дальнейшем на рабочую поверхность фрезера, например, при помощи ацетиленокислородного пламени газовой горелки.

Недостатками композиционного материала являются:

- малая прочность связки в композите (до 30-50 кг/мм²);

- малая производительность инструмента из-за того, что в качестве связки в композиционном материале используют составы на медной основе и содержащие цинк. В результате контакта контртела (стенки обсадной колонны) с фрезой, т.е. с режущей частью ее, осуществляющегося в тяжелых условиях больших динамических нагрузок, ударов, локального нагрева в месте контакта до 900-1000°С [6], происходит постоянное натирание материала связки на поверхность контртела. Поскольку медь и цинк являются защитными покрытиями на поверхности металла, являются классической смазкой, контртело получает антифрикционную защиту от внедрения частиц твердого сплава режущего инструмента, а не наоборот. Отсюда наблюдается снижение производительности скважинных фрезерных устройств. При этом связка, постоянно расходуясь в процессе натирания на поверхность контртела, “оголяет” частицы твердого сплава и они теряют связь с ней. Условия устойчивости части твердого сплава в связке не обеспечиваются. В случае повышения температуры в зоне контакта этот процесс усиливается. В связи с этим режущий инструмент малопроизводителен и требует частого восстановления режущей кромки, т.е. композиционного материала. Цинк выгорает из композиционного материала на стадии изготовления и при пайке на инструмент, попадая в легкие работнику и загрязняя ядовитыми парами окружающую среду.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы режущего инструмента, включающей увеличение производительности, количество проходок, скорости резания с увеличением глубины проходки инструмента в контртело, повышение износостойкости инструмента при одновременном увеличении массы срезаемого материала контртела.

Задача изобретения достигается тем, что композиционный материал для режущего инструмента, преимущественно бурового, типа фрезы, содержащий наполнитель - частицы твердого сплава размером 0,5-5 мм, флюс и связку - высокотемпературный металлический сплав, согласно изобретению содержит в качестве связки аустенитную хромоникелевую сталь типа 18/8, а в качестве флюса - смесь борной кислоты - 65-75%, органической составляющей, в качестве которой используются воск, парафин, полиэтилен - 15-20%, алюминиевой пудры - 10-15% при следующем соотношении компонентов, об.%:

Частицы твердого сплава 50-80

Сталь 18-49

Флюс 1-2

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав композиционного материала отличается введением новых компонентов и их соотношением, а именно: в качестве связки используют сталь аустенитную хромоникелевую типа 18/8, а в качестве флюса - смесь из борной кислоты, алюминиевой пудры и органической составляющей. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию “новизна”.

Анализ известных композиций для режущих инструментов [7] показал, что известная композиция содержит частицы твердого сплава (карбид хрома и карбид кремния), а связка содержит хром, никель, кремний, марганец и железо. Но известная композиция порошковая, обладает малой пластичностью, что не позволяет использовать ее в качестве режущего покрытия в инструменте, работающем в тяжелых условиях эксплуатации (ударные действия, вибрация, постоянная смена угла резания и т.д.), хрупкая (связующая, содержит 38-44% Cr и 1-1,8% Ni). Прототип имеет частицы твердого сплава - 9-16%, также обладающие хрупкостью при наличии высокой микротвердости. Их применение в предлагаемом композиционном материале в сочетании с другими компонентами не обеспечивает таких свойств, которые они проявляют в заявляемом изобретении, а именно повышение устойчивости частиц твердого сплава композита при работе бурового режущего инструмента (фрезы, фрезера, райбера), работоспособности инструмента в процессе резания и, как следствие, - повышение износостойкости, производительности инструмента, увеличение скорости и количества проходок при зарезке режущего инструмента, например окна в стенке обсадной колонны, представляющей собой высокопрочную сталь, а не почву, как в известной композиции [7]. Впервые в качестве связки в предлагаемом композиционном материале в сочетании с крупными частицами твердого сплава и одновременно в качестве припоя используют при пайке нержавеющую сталь хромоникелевую аустенитного типа 18/8. Таким образом, данный состав компонентов придает композиционному материалу новые свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критериям “существенные отличия” и “промышленная применимость”.

В предлагаемом композиционном материале, предназначенном в основном как режущая часть бурового инструмента (фрезы, фрезера, райбера), имеется компонент - частицы твердого сплава (например, ВК8, но могут быть и ВК6; Т5К10), применяемые для наплавки пайкой на поверхность режущего инструмента. В связи с особенностями обрабатываемого материала контртела - прочная и высокопрочная сталь ГОСТ 1050-74, ГОСТ 19282-73; 4543-71; 380-74 - композиционный материал содержит частицы твердого сплава 50-80 об.%, в зависимости от направления обработки 50 об.% используется для случая абразивного типа резания (обработка грунта, контртела из металла небольшой толщины и т.д.), абразивно-лезвийного типа - используют 65 об.% частиц от общего объема композиции для работ “средней” сложности, работ в щадящем режиме, т.е. где необходима высокая производительность обработки инструментом поверхности контртела с точной корректировкой размера обрабатываемой части его. Для высокопроизводительного процесса резания с возможным отклонением от границ заданного участка обработки используют частицы крупного размера (2-5 мм в форме многогранника) при заполнении 80 об.% композиционного материала, например зарезка фрезером, райбером “окна” в стенке обсадной колонны и т.д.

В отличие от результатов предыдущих известных исследований [5], использование частиц твердого сплава размером 2-5 мм в сочетании с предлагаемой связкой (нержавеющая сталь типа 18/8 - хромоникелевая, а конкретно 12Х18Н9Т, взятых в пределах 18-49 об.%) в предлагаемом композиционном материале показало высокую производительность режущего инструмента. Достигается задача изобретения наличием прочной связи компонентов, прочной адгезионной связи рабочей поверхности, режущего инструмента с напаянной композицией. За счет этого связка работает и как припой, к тому же способный функционировать, как и частицы твердого сплава, как режущий компонент композиционного материала, снижая напряжения на границе частица твердого сплава - связка. Усиление технологичности процесса получения прутка из компонентов композиционного материала обеспечивает флюс, введенный в количестве 1-2 об.% для снижения температуры плавления стали, увеличения смачиваемости наполнителя связкой. Органическая составляющая флюса (воск, или парафин, или полиэтилен высокого давления) обладает защитными свойствами от окисления компонентов, способствует лучшему и равномерному обволакиванию связкой поверхности частиц твердого сплава. Алюминиевая пудра и борная кислота в предлагаемых количествах обеспечивают получение мелкозернистой структуры связки, что способствует увеличению прочности ее. Алюминий обеспечивает стали постоянство свойств за счет сосредоточения на границе зерна сплава и предотвращает налипание связки композита на поверхность контртела (обрабатываемую поверхность) за счет постоянно образующейся защитной окисной пленки в водной среде, присутствующей в скважине при работе фрезы, фрезера, райбера. Компоненты, взятые в большем или меньшем объеме, чем предложено в композиционном материале, не достигают цели, поставленной изобретением. Исследования свойств предлагаемого композиционного материала после пайки его на рабочую поверхность режущего инструмента (фрезы) с предлагаемым составом флюса по сравнению с использованием известных составов флюсов (бура, смесь буры с борной кислотой, с фтористым кальцием и т.д.) обнаружили способность связки функционировать как “режущая” составляющая, что позволяет объяснить результаты высоких показателей физико-механических свойств инструмента.

Для экспериментальной проверки заявляемой композиции были изготовлены 7 составов (табл. 1, пп.1-7), три из которых показали оптимальные результаты (см. табл. 2, пп.3-5). В качестве фрезеруемого образца (контртела) использовали сталь 40, близкой по свойствам материалу насосно-компрессорных труб. В качестве частиц твердого сплава использовали сплав карбида вольфрама с кобальтом (ВК-8), стандарт предприятия СТП 19-4205-227-96, в качестве связки (прототипа) использовали проволоку, измельченную на куски длиной 5±1 мм, сплава на основе меди (Cu - основа, примеси - 0,5, Zn - 37%) - см. таблицу 1 (для прототипа, пп.1, 2) и на основе железа (12Х18Н9Т ГОСТ 5632-72 состава, %: С≤0,12; Si≤0,8; Mn - 2,0; Cr - 18; Ni - 9; Ti - 0,03; P≤0,035; S≤0,03), для предлагаемого композиционного материала (пп.3, 4, 5, 6, 7) использовали стальную ленту.

Флюс готовили состава, об.%:

Борная кислота (Н₃ВО₃) 65-75

Алюминиевая пудра (АД-1) 10-15

Полиэтилен (ПВД) 15-20

Частицы твердого сплава использовали размером от 0,5 до 5 мм. Для композиции, напаянной на режущую кромку инструмента, имеющей свойства лезвийного инструмента, использовали частицы в форме многогранников и размером от 2 до 5 мм (пп.5, табл. 2), для композиции, напаянной на режущую кромку инструмента, имеющей свойства абразивного инструмента, использовали частицы твердого сплава размером от 0,5 до 1 мм (пп.3, табл. 2), а для лезвийно-абразивного инструмента - от 0,5 до 5 мм (пп.4, табл. 2) любой формы (преимущество за многогранной формой). Смеси получали или простым смешением компонентов (прототип) или соединением под давлением. Они подвергались термообработке до получения сплава в виде прутка.

Пример 1

Использование предлагаемого композиционного материала для лезвийного инструмента (скважинная фреза типа ФРС-146-1).

Брали ленту из нержавеющей стали типа 18/8 - 12Х18Н9Т (ГОСТ 5632-72) состава в %: С≤0,12; Cr≤18; Ni≤9; Ti≤0,03 (в состоянии поставки). Нарезали на полосы длиной заданного прутка композиционного материала (1 м). Частицы твердого сплава обезжиривали, просеивали и оставляли частицы размером от 2 до 5 мм в равных пропорциях. Форма частиц - преимущественно многогранник выпуклый. Готовили флюс состава, об.%: борная кислота (чда) Н₃ВО₃ - 65; алюминиевая пудра - 15; органическая составляющая - полиэтилен (ПВД) ГОСТ10354-82 - 20 в виде пленки - 15. 80 об.% частиц твердого сплава (ВК8, содержащий WC-основу и Со - 8%) соединяли оплавлением при температуре 120° с 1,5 об.% флюса (от общего объема композиционного материала). Полиэтиленовая пленка, сплавляясь, обволакивает остальные компоненты флюса и частицы твердого сплава, а при охлаждении - фиксирует в виде ленты. Такую ленту помещают между полосами из нержавеющей стали, прокатывают между горячими (Т≈500°С) валками. Поскольку связка из нержавеющей аустенитной стали используется в состоянии поставки, она обладает хорошей деформируемостью. Т=500°С - температура, облегчающая процесс деформации стальной полосы и осуществляющая контакт компонентов, достаточный для получения композиционного материала в форме прутка. Пруток затем наплавляют на рабочую поверхность скважинной фрезы. Контртелом в скважине при фрезеровании является стенка обсадной колонны.

Многогранность частиц твердого сплава позволяет быть ей в процессе постоянно и функционировать послойно по мере износа. Плотная упаковка частиц в композиционном материале за счет наличия в нем прочной износостойкой связки не снижает, а наоборот повышает эксплуатационные свойства лезвийного инструмента (п.5, табл. 1 и 2) несмотря на меняющееся направление оси перемещения фрезы в связи с вибрацией, автоколебаниями системы колонна-инструмент [6], обусловленными нелинейной характеристикой изменения момента трения между инструментом и фрезеруемым объектом (стенкой обсадной колонны, например).

Как показали исследования оказалось, что на границе поверхности рабочей кромки фрезы и напаянного композиционного материала имеется слой карбида железа. Он был обнаружен в процессе травления шлифа в торцевой части образца. При использовании состава травителя для выявления структуры сплавов на основе железа была четко обнаружена граница соединяемых материалов, ее размер в цветовом исполнении. Теоретически же на границе должна была сосредоточиться окись хрома. Состав же предлагаемого композиционного материала позволил получить без применения припоя прочную связь со сталью, которая плохо соединяется с другими сплавами. Предлагаемый композиционный материал за счет наличия нержавеющей аустенитной стали в качестве связки - на основе железа в сочетании с пластичным никелем (9%) и хромом (18%) в ней, придает составу прочность, образует упругопластичную границу с частицами твердого сплава. Такая граница служит демпфером и обеспечивает релаксацию сложнонапряженного состояния режущей кромки скважинной фрезы. Использование в композиционном материале предлагаемого флюса обеспечивает отличную смачиваемость соединенных поверхностей, снижает температуру пайки композиции со связкой на основе железа, не позволяет сплаву увеличить зерно как в процессе получения композиции в виде прутка, так и в процессе пайки на рабочую поверхность (в дальнейшем режущую кромку скважинной фрезы, фрезера) за счет введения борной кислоты и алюминия с органической составляющей (полиэтилен высокого давления). Режущий инструмент лезвийного типа резания используют в основном для вязких материалов контртел (сливная стружка).

Пример 2

Использование композиционного материала для изготовления режущего инструмента абразивного действия.

Готовится композиция, содержащая 48 об.% частиц твердого сплава (ВК8 - 50% по объему, связку 49% на основе железа (нерж. сталь аустенитного класса 12Х18Н9Т ГОСТ 5632-72) и флюс 1% (смесь борной кислоты, алюминиевой пудры и органической составляющей - воска) - 2 об.%). Твердосплавные частицы использовали в виде осколков - отход при производстве пластин твердосплавных. Размер частиц - от 0,5 до 1 мм, частицы предварительно обезжирены. Связку композиционного материала, аустенитную нержавеющую сталь типа 18/8 (12Х18Н9Т ГОСТ 5632-72) использовали в виде ленты. Флюс брали в виде пасты из смеси размягченного воска, алюминиевой пудры, борной кислоты при соотношении компонентов в об.%: 15; 10; 75 соответственно. Компоненты композиционного материала - частицы твердого сплава и флюс тщательно перемешивали. Смесь помещали между лентами связки, отрезанными на заданную длину прутка композиции (≈1 м). Композицию подвергали давлению до тех пор, пока не внедрятся частицы твердого сплава в связку. Полученный композиционный материал (п.3, табл. 1 и 2) напаивали на рабочую поверхность абразивного инструмента открытым пламенем горелки. Соотношение компонентов - 50 об.% частиц твердого сплава и 49 об.% связки берут из расчета, что для оптимальной работоспособности композиции, в качестве абразивного инструмента, необходимо расстояние между частицами, равное диаметру частицы. Беря объемное, а не весовое соотношение компонентов, четко реализуем этот вариант за счет равных объемных соотношений этих компонентов. Флюс в композиционном материале добавляют к смеси частиц твердого сплава и связки в количестве 1 об.% как оптимальное для получения удовлетворительной адгезии между компонентами. Меньшее количество флюса не достаточно для этой цели, а большее приводит к появлению барьерного эффекта, т.е. флюс служит барьерным слоем при получении композиционного материала в виде прутка (эффект слоеного пирога). Результаты эксперимента представлены в табл. 2, п.3.

Пример 3

Использование композиционного материала для изготовления режущего инструмента с лезвийно-абразивным типом резания.

Готовится композиционный материал, содержащий: 65 об.% твердого сплава (ВК8), связку (12Х18Н9Т) в виде кусочков нержавеющей проволоки ⊘2 мм, размером 2-5 мм - 33,5 об.% и флюс (смесь - 70 об.% борной кислоты, 18 об.% вазелина, 12 об.% алюминиевой пудры) - 1,5 об.%. Частицы твердого сплава используют следующих размеров 0,5-1 мм и 2-5 мм (п.4, табл. 1). Смесь компонентов соединяют пайкой при температуре 1100°С до получения изделия в виде прутка, который наносят на рабочую поверхность инструмента (фреза торцевая) открытом пламенем горелки в присутствии того же флюса при температуре 1100°С. Результаты эксперимента представлены в (табл. 2, п.4).

Параметры фрезерования: частота вращения 1,6 с^-1, осевая нагрузка 7,5 МПа, промывочная жидкость - вода. Интервал времени для всех опытов - 1 ч. За показатели фрезерования были приняты съем металла фрезеруемого объекта (сталь 40) и износ фрезера в единицу времени, а также удельная производительность.

Результаты исследования (см. табл. 2) показали, что максимальная удельная производительность достигнута при композиционном материале, содержащем 80 об.% частиц твердого сплава, имеющих размер 2-5 мм и многогранной форме, 18 об.% - связки (нержавеющей стали типа 18/8 аустенитная хромоникелевая и 2 об.% флюса композиция используется как лезвийный инструмент). Высокую удельную производительность показал состав композиционного материала, используемый как лезвийно-абразивный инструмент.

Из таблиц следует, что использование в композиции связки на основе железа типа 18/8 в отличие от прототипа (пп.1, 2, табл. 2) и заграничных соотношений компонентов (п.6, 7, табл. 1 и 2) позволило увеличить удельную производительность режущего инструмента в 3-4 раза, с увеличением глубины внедрения режущего инструмента в контртело скорость резания увеличивается, количество частиц твердого сплава, участвующих в процессе, увеличилось с 10-17 до 100%, т.е. в 7-10 раз за счет увеличения адгезионной прочности, свойств связки и состава флюса. Аустенитная хромоникелевая сталь типа 18/8 оказалась удобной в использовании в качестве связки частиц твердого сплава, т.к. обладает постоянством структуры, т.е. материал прогнозируем, стабилен в процессе эксплуатации композиционного материала.

Изобретение предполагается внедрить в буровой технике (для пайки на фрезеры, райбера, фрезы, долота) в ООО “БИТТЕХНИКА” г.Пермь.

Использование заявляемого композиционного материала имеет по сравнению с прототипом следующие преимущества:

- позволяет эффективно использовать нержавеющую сталь типа 18/8 в качестве связки в композиции с частицами твердого сплава крупного размера, одновременно являясь непосредственно припоем при пайке композиционного материала на рабочую поверхность режущего инструмента. Ранее известное использование стали этого типа предполагало или сварку проволоки (электрода) с поверхностями того же состава (12Х18Н9Т ГОСТ 22366-77), или сварку малоуглеродистой и высокомарганцовистой сталей с промежуточным подслоем [8] из этой стали, или изготовление изделий, представляющих собой сварную аппаратуру в различных отраслях промышленности, как сортовой металл и горячекатанный лист [9] и ГОСТ 5632-72. В качестве припоя нержавеющая сталь не применялась. Тем более в условиях пайки открытым огнем. Повышению технологичности пайки способствует в заявляемом изобретении состав флюса, позволяющий снизить температуру пайки, увеличить смачиваемость связкой частиц твердого сплава и рабочей поверхности режущего инструмента без дополнительного припоя (что требовалось ранее) [10], осуществить соединение нержавеющей стали с другими сталями;

- предотвращает налипание на поверхность контртела связки композиционного материала, тем самым не допускает перегрев в зоне контакта и локальной сварки граней частиц твердого тела с поверхностью контртела;

позволяет:

- вести процесс пайки в значительно более экономически чистой атмосфере;

- увеличить работоспособность режущего инструмента и при использовании крупных частиц (5 мм), и при большем или меньшем заполнении связки частицами твердого сплава;

- значительно повысить производительность режущего инструмента;

- увеличить количество проходок фрезы с однажды напаянным слоем композиционного материала на ее рабочую поверхность;

- получить наилучшее сочетание свойств в связке в процессе пайки и при охлаждении композиционного материала на инструменте, т.к. пайка осуществляется в режиме закалки при 1050-1100°С на воздухе с последующим охлаждением в режиме самоотпуска. Этот процесс идет самопроизвольно, поэтому упрощается технология достижения и сохранения высоких физико-механических свойств всего наплавленного слоя из предлагаемого композиционного материала.

Источники информации

1. Справочник машиностроителя, т.5, кн.1 /Под ред. Э.А. Сотеля, М., 1964 г., с.289 (аналог).

2. Справочник машиностроителя т.5, М., 1964 г., с.286 (аналог).

3. Справочник машиностроителя т.5, М., 1964 г., с.288 (аналог).

4. Пустовойтенко И.П. Предупреждение и ликвидация аварий в бурении. - М.: Недра, 1988 г., с.210, с.32 (аналог).

5. Гасанов А.П. Аварийно-восстановительные работы в нефтяных и газовых скважинах. - М.: Недра, 1987 г., с.30, 115 (прототип).

6. Мирзаджанзаде А.Х., Керимов З.Г., Копейкис Н.Г. Теория колебаний в нефтепромысловом деле, Баку, Маариф, 1976 г. (аналог).

7. А. с. №306931, МКИ В 23 К 35/32 от 25.05.70 (аналог).

8. А. с. №186584, МКИ В 23 К 35/36 от 09.07.65 (аналог).

9. А.Д. Абрамович. Нержавеющие стали в энергетике за рубежом. - М., 1967 г. (аналог).

10. Петрунин И.Е., Лоцманов С.Н., Николаев Г.А. Пайка металлов. - М.: Металлургия, 1973 г., с.133 (аналог).