Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2013, № 9 (спецвып.)

ПОВЫШЕНИЕ
СТОЙКОСТИ
БУРОВЫХ
КОРОНОК

С.Е. Сухорукова

УДК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
С 91 

622.24.051.79 
С 91 
 
 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.12 
 
 
 
 
 
 
 
Сухорукова С.Е. 

Повышение стойкости буровых коронок: Горный информа
ционно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск). — 2013. — № 9. —
16 с. — М.: издательство «Горная книга» 

ISSN 0236-1493 

Установлен критерий для оценки износостойкости буровых коронок. Произведена оценка величины энергии, необходимой для изменения
структуры и свойств твёрдого сплава буровых коронок. Приведены результаты экспериментальной работы по обработке буровых коронок высокоэнергетическими воздействиями. Сделаны выводы об их влиянии на 
стойкость инструмента и качество соединения корпус коронки – твёрдосплавный зубок. 

УДК 622.24.051.79
 
 
 

 
 
 

©  С.Е. Сухорукова, 2013 
©  Издательство «Горная книга», 2013 
ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство  
«Горная книга», 2013 

 
 

УДК 622.24.051.79  
© С.Е. Сухорукова, 2013 
 

КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ 
ТВЕРДОСПЛАВНОГО БУРОВОГО  
ИНСТРУМЕНТА 

Рассмотрены условия работы породоразрушающего инструмента, 
влияние возникающих нагрузок на процессы разрушения в твердосплавном оснащении, зависимость износостойкости твердого сплава от напряжения в вершине трещины, твердости и размера зерна карбида 
вольфрама. 
Ключевые слова: горные машины, породоразрушающий инструмент, 
буровой инструмент, буровые коронки, твердые сплавы, абразивное изнашивание, износостойкость, размер зерна карбида вольфрама WC. 
 
При изготовлении породоразрушающего горного инструмента наиболее часто применяются твердые сплавы марок ВК, представляющие собой композиционные материалы, состоящие из 
твердого тугоплавкого карбида вольфрама (WC) и мягкой кобальтовой связки (Co). 
Зерна карбида вольфрама в твердом сплаве связаны между 
собой в карбидный «скелет», обуславливающий его прочность. 
Кобальт присутствует в виде тонких прослоек и также образует 
«скелет», обуславливающий пластичность. Количественное соотношение и взаимное расположение этих «скелетов» обуславливают ряд уникальных физико-механических и эксплуатационных 
свойств твердого сплава. 
Характерными условиями работы этих сплавов являются: 
высокие контактные нагрузки; постоянный контакт с абразивной средой буримой породы; неравномерность распределения 
пород по крепости в буримых пластах; наличие полостей в породе; коррозионная среда. 
В сумме все эти факторы приводят к возникновению переменных и/или пиковых нагрузок на буровой инструмент и созданию повышенных напряжений в нем. Такое сложное нагружение 
вызывает возникновение следующих процессов: пластическая 
деформация; выдавливание кобальтовой фазы и удаление зерен 
карбидной фазы; образование и рост трещин. 

Все эти факторы становятся причиной поломки и выкрашивания элементов твердосплавного оснащения. С выкрашиванием 
одного элемента, нагрузка перераспределяется на остальные 
твердосплавные элементы, нагружая их сверх нормы, что приводит к скорейшему выходу из строя всего инструмента. Срок 
службы инструмента, в конечном счете, определяется износостойкостью его твердосплавного оснащения. 
Наиболее приемлемым для оценки износостойкости хрупкого материала является использование зависимости с учетом коэффициента интенсивности напряжения в вершине трещины, 
твердости и размера карбидного зерна: 

wc

c
v
D
H
K
k
I

2
/
1
8
/
3
1
α
=
, 

где α – коэффициент, учитывающий форму зерна WC; k – коэффициент, учитывающий крепость буримой горной породы; K1c – 
интенсивность напряжения в вершине трещины, МПа·м1/2; H – 
твердость, МПа; Dwc – размер карбидного зерна, м. 
Все входящие в выражение параметры изменяются в широких пределах и, следовательно, изменяют величину износостойкости. Одним из основных параметров, влияющих на износостойкость, является размер карбидного зерна, который легко определяется при исследовании микроструктуры. Классификацию 
твердых сплавов можно вести по размерам зерна (дисперсности) 
карбидной фазы в сплаве. 
Наилучшими свойствами, пригодными для ведения горных 
работ по породам с крепостью 12÷18, обладают зубки из твердых 
сплавов, попадающих в категории № 1—3 (табл. 1). Для получения размеров, характерных для этих категорий, применяются инновационные технологии получения нанофазного порошка, различные режимы технологии спекания и обработки готовых изделий. Изменение размеров карбидных составляющих приводит к 
изменению интенсивности изнашивания и срока службы (долговечности) инструмента, изготовленного по таким технологиям. 
Твердые сплавы с размером карбидного зерна 0,07—0,49 мкм 
подвержены разрушению со следами пластической деформации, 

а сплавы с размером зерен WC 1,2—2,9 мкм характеризуются 
выдавливанием связующей фазы с последующим выкрашиванием 
карбида. 
При абразивном изнашивании, характерном для горного инструмента, износостойкость определяется отношением твердости 
абразива к твердости материала.  
Помимо размера карбидного зерна, следует учитывать и величину кобальтовой прослойки: 

λ = αcDwc, 

где λ – толщина кобальтовой прослойки, м; α – коэффициент, 
учитывающий форму зерна WC; c – содержание кобальта, %; Dwc – 
размер карбидного зерна, м. 
Моделирование процесса измельчения структуры материла 
зубков буровых коронок показало изменение величины кобальтовой прослойки в зависимости от размера зерна карбида вольфрама для сплава ВК8 (табл. 1). 
Из таблицы следует, что средний размер участков кобальтовой фазы снижается с уменьшением размера зерна карбида. 
Уменьшение толщины кобальтовой прослойки приводит к 
увеличению межфазной границы и затрудняет вырывание зерен 
карбида, увеличивая тем самым износостойкость твердого сплава 
и, как следствие, срок службы твердосплавного инструмента. 
Буровые коронки типа КНШ оснащаются зубками из спеченного твердого сплава марки ВК8 производства Кировоградского 
завода твердых сплавов и их зарубежных аналогов. 
 
Таблица 1 

Зависимость величины кобальтовой прослойки  
от размеров зерна карбида вольфрама 

№ п/п 
Категория сплава 
Размер зерна 
DWC, мкм 
Размер Сопрослойки λ, мкм 

1 
Нанокристаллические 
≤0,1 
0,004 

2 
Ультрадисперсные 
0,2-0,5 
0,01-0,024 

3 
Субмикронные 
0,8-1,5 
0,045-0,084 

4 
Среднезернистые 
2,0-3,0 
0,128-0,192 

5 
Крупнодисперсные 
4,0-6,0 
0,29-0,432 

6 
Особо крупнозернистые 
8,0-15,0 
0,64-1,2 

В отечественной и мировой практике одним из основных 
контролируемых параметров для зубков твердого сплава являются твердость и микротвердость. В состоянии поставки зубки 
имеют HV=1120÷1716 Н/мм2 в зависимости от марки твердого 
сплава и его производителя. 
Минимальная вводимая энергия для смещения дислокаций в 
кристаллической решетке твердосплавных зубков буровых коронок, должна быть эквивалентна 0,67 МэВ и не превышать энергию разрушения, эквивалентную 3,25 МэВ. 
Для измельчения зерна карбида вольфрама в работе применяются высокоэнергетические методы воздействия, изменяющие 
структурное состояние твердого сплава: магнитно-импульсная 
обработка (МИО); высокоэнергетические воздействия, к числу 
которых относятся: облучение быстрыми электронами; облучение гамма-квантами. 
 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
 
1. Wayne S.F., Baldoni J.G., Buljan S.T. Abrasion and erosion of WCCo cermets with controlled microstructures. Tribol. Trans. 33 (1990) — 
с.611-617 
2. Фальковский В.А., Клячко Л.И. Твердые сплавы. – М.: Изд-во 
«Руда и металлы», 2005. – 415 с. 
3. Финкель В.М. Физика разрушения. – М.: Изд-во «Металлургия», 
1970. – 376 с. 

4. Креймер Г.С. Прочность твердых сплавов. – М. : Изд-во 

«Металлургия», 1971. – 2-е издание: 247 с. 

5. Панов В.С. Чувилин А.М. Технология и свойства спеченных 

твердых сплавов и изделий из них. – М.: МИСиС, 2001. – 428 с. 

6. Подколзин П.С. Попов А.А., Прешман И.Б., Данчич В.В. 

Инструмент для бурения шпуров. – М.: Углетехиздат, 1953. – 164 с. 

7. Трусов А.А. Твердосплавный инструмент. – М.: Изд-во 

«Машиностроение», 1966. – 276 с. 

УДК 622.24.051.79  
© С.Е. Сухорукова, 2013 
 

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ 
ВОЛЬФРАМОКОБАЛЬТОВЫХ  
ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЗУБКОВ БУРОВЫХ 
КОРОНОК ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ 
ВОЗДЕЙСТВИЯМИ 

Применение высокоэнергетических воздействий приводит к образованию в твердом сплаве структур, обладающих повышенной износостойкостью, изменению его физико-механических свойств и увеличивает 
прогнозируемый срок службы буровых коронок. В качестве высокоэнергетических методов обработки твердосплавных зубков буровых коронок были использованы: облучение γ-квантами, облучение быстрыми 
электронами и магнитно-импульсная обработка. 
Ключевые слова: горные машины, породоразрушающий инструмент, 
буровой инструмент, буровые коронки, твердые сплавы, твердосплавные зубки, карбид вольфрама, высокоэнергетические воздействия. 
 
Решением задачи по увеличению срока службы твердосплавного бурового инструмента занимались такие ученые как 
Солод Г.И., Солод В.И., Кантович Л.И., Морозов В.И. Пастоев 
И.Л., Шешко Е.Е., Родина Т.Н. и т.д. В создание теоретических 
основ эксплуатации твердосплавного инструмента большой вклад 
внесли отечественные ученые: Панов В.С., Чувилин А.М., Креймер Г.С., Ибатуллин И.Д., Огар П.М., а также зарубежные исследователи Киффер Р., Шварцкопф П., и др. 
По литературным данным проанализированы методы повышения долговечности изделий из твердых сплавов (рис. 1). Наиболее перспективными методами повышения долговечности 
твердосплавных зубков являются методы высокоэнергетического 
воздействия. 
В качестве высокоэнергетических методов обработки твердосплавных зубков буровых коронок были использованы: облучение γ-квантами, облучение быстрыми электронами и магнитноимпульсная обработка. 

Рис. 1. Методы повышения долговечности изделий из твердых сплавов 
 
Гамма-излучение представляет собой фотоны, т.е. электро
магнитную волну, несущую энергию. В лабораторных условиях 
обработка гамма-излучением была проведена с помощью рентгеновской установки. Рентгеновское излучение аналогично 
гамма-излучению, но оно получено искусственно в рентгеновской трубке. 

Облучение образцов твердосплавных зубков буровых коро
нок  γ-квантами с энергией 661 кэВ проводилось от изотопа цезия 
Cs. Были установлены зависимости микротвердости зубков твердого сплава ВК8 от продолжительности облучения γ-квантами 
(рис. 2) и стойкость эффекта во времени (рис. 3). 
Другим видом воздействия являлось облучение быстрыми 

электронами (β-излучение), испускаемыми радиоизотопным источником Sr90+Y90. Характерной особенностью этого источника 
является широкий энергетический спектр электронов, простирающийся от 0,63до 2,27 МэВ. 
Сущность процесса электронно-лучевого воздействия состоит в том, что кинетическая энергия сформированного в вакууме электронного пучка превращается в тепловую в зоне обработки. Так как диапазоны мощности и концентрации энергии 
в луче велики, то практически возможно получение всех видов 
термического воздействия на материалы: нагрев до заданных 
температур, плавление и испарение с очень высокими скоростями. 

Рис. 2. Зависимость микротвердости 
зубков твердого сплава ВК8 от продолжительности облучения γ-квантами 

Рис. 3. Стойкость эффекта повышения микротвердости после облучения 
γ-квантами 
 

Рис. 4. Зависимость микротвердости зубков твердого сплава ВК8 от 
продолжительности облучения быстрыми электронами 

Рис. 5. Стойкость эффекта повышения микротвердости после облучения 
быстрыми электронами 

 
Рассчитана величина энергии, которую необходимо ввести в 
твердый сплав для начала процесса изменения его структуры и 
свойств. Она составила 0,67 МэВ. Для определения режимов установки-источника нужно определить, какая часть испускаемой 
энергии воспринимается твердосплавным зубком. 
Максимальное количество энергии передается покоящимся 
частицам при лобовом ударе. В этом случае, пренебрегая массой 
электрона по сравнению с массой протона, получаем, что твердосплавный зубок воспринимает порядка 70 % испускаемой 
энергии. 

Рис. 6. Зависимость микротвердости зубков твердого сплава ВК8 от 
напряжения при магнитно-импульсной обработке  

Рис. 7. Стойкость эффекта повышения микротвердости после магнитноимпульсной обработки 

 
Облучение твердого сплава ВК8 быстрыми электронами вызывает дробление блоков до наноразмеров и уменьшение микродеформаций, что приводит в большинстве случаев к возрастанию 
предела текучести, т.е. к упрочнению материала.Были установлены зависимости микротвердости зубков твердого сплава ВК8 от 
продолжительности облучения быстрыми электронами (рис. 5) и 
стойкость эффекта во времени (рис. 6). 

Магнитно-импульсная обработка буровых коронок проводи
лась на объемном источнике магнитных импульсов – ПИОМ-1. 
Выявлены оптимальные режимы обработки: произведение 3 импульсов по 500 В и 1000 В. 
 
 
СПИСОК ЛИТУРАТУРЫ 
 
1. ГОСТ 9391-80. Сплавы твердые спеченные: методы определения 
пористости и микроструктуры (СТ СЭВ 2947-81 и СТ СЭВ 2952-81). – 
М.: Стандарты, 1985. – 5 с. 
2. Булычев С.И. Теоретические основы обработки концентрированными потоками энергии. – М.: МГИУ, 2008. – 148 с.