close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000101052

код для вставкиСкачать
X рукописи
Бугаков Василий Иванович
ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ
В Ы С О К О Э Ф Ф Е К Т И В Н О Г О АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА
П Р И В Ы С О К И Х ДАВЛЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХ
С П Р И М Е Н Е Н И Е М Н О В Ы Х АЛМАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ
И П О Р О Ш К О В Ы Х КОМПОЗИЦИЙ
Специальность 05.16.06 - Порошковая
металлургия и композиционные материалы
Автореферат диссертации на соискание
ученой степени доктора технических наук
Москва - 2005
Работа вьшолнена в Институте физики высоких давлений
им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук и в
Г О У ВПО «Московский государственный институт стали и сплавов
(технологический университет)»
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Ножкина Алла Викторовна
доктор химических наук
Спицьш Борис Владимирович
доктор технических наук
Золкин Петр ({ванович
Ведущая организация:
ООО « Электромеханический завод»
( г. Лермонтов, Ставропольского края)
Защита диссертации состоится 16 ноября 2005г. 14 часов 30 минут на
заседании диссертационного совета Д 212.132.05 при Г О У ПВО
« Московский государственный институт стали и сплавов
(технологический университет)» по адресу: 119991, г. Москва,
Крымский вал,3, ауд. К-311
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСиС.
Автореферат разослан « /(^ » октября 2005 г.
Ученый се1фетарь
^
Т. А. Лобова
^
^f^3>
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Алмазный кaмнq}aзpyшaюIЦий инструмент широко 1фименяется в геологии, в горнорудной и строительной промьшгаенности. Как
правило, такой алмазный инструмент работает 1фи высоких механиче­
ских нагрузках и состоит из стального корпуса и алмазосодержащего
слоя, который можно рассматривать как композиционный материал, где
одним из компонентов является прочная металлическая матрица (связ­
ка), а дфугим - износостойкие зерна алмаза, равномерно распределен­
ные в ней. Несмотря на то, что конструктивные особенности и режимы
эксплуатации данных видов инструмента различны, основные требова­
ния, 1федьявляемые к ним, идентичны: прочное закрепление алмазных
зерен в связке и надежное тфшфепление алмазосодержащего слоя к
стальному корпусу. Проблемы в юготовлевии и применении алмазного
инструмента связаны, главным образом, с повышением его технологи­
ческой и экономической эффективности. Традиционным методом изго­
товления бурового и камнеобрабатывающего инструментов с тфиродньши алмазами является метод инфильтрации тфессовок из алмазов и
порошков твердых сплавов медью или сплавами на ее основе тфи тем­
пературах более 1000 "С в восстановительной (нейтральной) атмосфере
или vsx!jYiiLu. Разработка и освоение хфомышленностью технологий из­
готовления синтетических алмазных моно1фисталлов и поликристалли­
ческих алмазных материалов предъявляют новые требования к техно­
логии изготовления инструмента. Одно из главных требований - это
снижение температуры изготовления инструмента, посколы^ термо­
стойкость синтетических алмазов составляет величину пордгцса 700-950
°С. Для уменьшения температуры изготовления инструмента без сни­
жения прочностных свойств связки применяются прогрессивные мето­
ды порошковой металлургии и новые материалы. Особенно остро про­
блема снижения температуры при изготовлении алмазосодержащего
инструмента встала при освоении отечественной тфомышленностью
производства полшфисталлических алмазов типа АРК-4. Преимущест­
вами этого алмазного сьфья является его высокая твердость и износо­
стойкость, статическая и динамическая прочность в сочетании с низкой
себестоимостью, а недостатком полшфисталлов АРК-4 является их
низкая термостойкость, которая составляет около 750 °С. Поэтому раз­
работка новых процессов и технологий получения алмазного инстру­
мента из низкотемпературного алмазного сырья с использованием вы­
сокотемпературных композиционных порошковых матфиалов в каче­
стве связок возможна с использованием высоких даплений).как>способа
шк^каж^:
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ|
ЯЬНАЯI
БИБЛИОТЕКА
ОЭ
КА
I
^у;Уя1
повышения термостойкости алмазного сырья и снижения необходимой
температуры спекания связок. Работа по своему содержанию является
актуальной, важной и необходимой для промышленности.
Цель работы.
Работа связана с решением важной научно-технической про­
блемы, состоящей в исследовании щюцессов спекания металлических и
металлокерамических порошков в условиях высоких давлений и тем­
ператур, влияния высоких давлений я температур на свойства алмазных
материалов и разработке новых процессов по созданию высокоэффек­
тивного алмазного бурового и камнеобрабатывающего инструментов и
технологий их изготовления под высоким давлением с использованием
алмазного сырья отечественного производства.
Для достижения указанной цели в работе ставились и решались следуюпще задачи:
а) создание многоразовой аппаратуры с требуемыми размерами для по­
лучения высоких давлений до 2,5 FTIa; разработка методик определения
значений давлений и температур и их распределения в рабочей зоне ка­
меры высокого давления (КВД);
б) исследование влияния высоких давлений и температур на свойства
алмазных материалов, явлений структуро- и фазообразования 1фи спе­
кании металлических, металлокерамических порошков и алмазных ма­
териалов;
в) ра^аботка методик по определению свойств алмазных материалов,
связок и алмазосодержащих композиционных материалов на их основе;
г) создание нового класса безвольфрамовых связок для изготовления
алмазного инструменга в условиях высоких давлений и температур;
д) разработка композиции припоя для {фепления алмазоносной матри­
цы к корпусу инструмента при высоких давлениях;
е) создание высокоэффективной промышленной технологии изготовле­
ния алмазного бурового и камнеобрабатывающего инструментов с ис­
пользованием новых алмазных материалов и высоких давлений, опре­
деление наиболее эффективных областей и режимов их 1фименения.
Методики исследования
Работа выполнена с привлечением современных физикохимических методов анализа: химического, рентгенофазового и ренггенострукгурного, электронно-оптического, металлографического, фрактографического; с использованием современных методов определения
механических свойств и абразивной стойкости матричных и алмазных
композитов. Определение технологических пщ)аметров разработанного
бурового и камнеразрушающего инструмента проводили на современ­
ных стендах и серийном оборудовании. В работе также использовали
вычислительную технику для расчета при проектировании К В Д и рас-
четах температурных градиентов в реакционной зоне КВД, обработки
полученных экспериментальных зависимостей.
Научная новизна.
1. На основе анализа Р-Т- диаграммы состояния алмаз-графит и
эксперимевгальвых данных установлена связь между давлением, при­
кладываемым к алмазным материалам, и температурой их разу1фочнения, выражающаяся в том, что с увеличением давления термостойкость
алмазов растет, что объясняется наличием в них металлических вклю­
чений.
2. Экспериментально установлено, что системы никель - диборвд титана и никель - днборнд хрома становятся адгезионноакгивньши к поверхности алмаза в условиях высоких давлений и тем­
ператур, что приводит к прочному за1феплению в этих связках алмаз­
ных материалов.
3. Предложена физическая модель взаимодействия алмазного
зерна и связки при высоких давлениях и температурах, позволившая
щювести теоретический расчет влияния параметров спекания на до­
полнительное за1фепление алмазного зерна с учетом различных коэф­
фициентов их термического расширения.
4. Установлен механизм взаимодействия алмазного зерна с по­
родой при бурении инструментом, содержащим 1фупные и мелкие ал­
мазные зерна с различной прочностью и абразивной стойкостью, что
позволило сформулировать требования к свойствам алмазных материа­
лов для обработки различных горных пород.
Практическая значимость.
1. Созданы камеры высокого давления, аппаратура и разрабо­
тан метод спекания порошковых материалов в условиях квазигцщюстатического сжатия 1фи давлении до 2,5ГПа.
2. Эксп^>иментально установлена связь между фазообразованием в системах никель - диборид титана (хрома) и ростом твердости и
абразивной стойкости связок, что позволило разработать новые проч­
ные и износостойкие материалы на основе композиций Ni и диборидов
(ТШг, СгВг) для камнеразрушающего алмазосодержащего инструмента,
изготавливаемого методом спекания при давлении до 2,5ГПа.
3. Предложена методика комплексного анализа механических
свойств и абразивной стойкости связок алмазного инструмента, что по­
зволило проанализировать как наиболее распространенные, так и соз­
данные в настоящей работе связки для алмазосодержащего камнераз­
рушающего инструмента и сформул1фовать требования к ним при соз­
дании нового высокоэффективного алмазного инструмента с заданными
техническими характеристиками.
4. Разработана композиция припоя на основе N i и СгВа для кре­
пления алмазосодержащего слоя к корпусу алмазного инструмента, что
позволило создать технологию 1д)епления непосредственно в процессе
спекания при высоком давлении.
5. Проведено экспериментальное изучение влияния условий
бурения, 1фупности и концентрации алмазов в буровых коронках с поликрнсталлическими алмазами АРК-4 на скорость проходки при буре­
нии горных пород Vni-XI категорий буримости, что позволило вырабо­
тать требования к инструменту, применяемому для бурения различных
горных пород.
6. Экспериментально 01феделена ошимальная нагрузка, прила­
гаемая к отдельному алмазному зерну при бурении, что позволило раз­
работать и экспериментально подтвердить методику расчета размеров
алмазосодержащих секторов и промывочных пазов алмазной буровой
коронки в зависимости от размеров и концевграции поликристалличе­
ских алмазов АРК-4.
7. Внедрены в производство уникальные промьшшенные тех­
нологии изготовления при высоких давлениях до 2,5 ГПа с полтфисталлическими алмазами АРК-4 алмазных буровых коронок типа К С К и
шлифовальных головок Ш Г К
8. Разработана пгарокая номенклатура высокоэффективного
алмазного бурового, отрезного, сверлильного и других видов инстру­
ментов для различных условий эксплуатации, получаемых методом
спекания при давлении до 2,5 ГПа.
Реализация работы.
Разработанные промьшшенные технологии изготовления при
высоких давлениях алмазного инструмента внесены в производство
на опытном производстве И Ф В Д РАН; 3NG г. Лермонтов; ТЗАИ, Мос­
ковской обл.; опытном заводе ВИТРа, С-Петербург. Высокоэффектив­
ные алмазосодержащие инструменты, изготовленные по разработанной
технологии, находят широкое применение при обработке природного
камня истроительныхматериалов, в горнорудной и строительной промьппленносги, при производстве геологоразведочных работ и добычи
полезных ископаемых, что подгверяздено положительными сравни­
тельными испьпаниями с лучшими мировыми аналогами.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты исследований и выявленные закономерности: по
влиянию термобарической обработки на механические свойства алмаз­
ных материалов; по струкгуро- и фазообразованию в процессе спекания
при высоком давлении металлических, металлокерамических порошков
и алмазных материалов; по распределению давлений и температур в ре­
акционной зоне КВД; по методам за1фепления алмазных зерен в связке
при спекании под высоким давлением.
2. Модели, описывающие взаимодействие алмазного зерна со
связкой в процессе спекания при высоких давлениях и температурах и с
горной породой при ее разрушении.
3. Результаты исследований новых связок, тфипаечных материа­
лов и методики определения их механических свойств и абразивной
стойкости.
4. Разработанные конструкции бурового и камнеобрабатывающего алмазного инструмента и технологии по его изготовлению щ)и высо­
ких давлениях.
5. Результаты исследований по испытаниям созданного алмазно­
го инструмента в буровой и строительной промышленности и рекомен­
дации по его применению.
В совокупности перечисленные положения составляют новые
научные представления по изготовлению алмазного камнеразрушающего инструмента методом спекания при высоких давлениях до 2,5 ГПа с
применением новых алмазных материалов и порошковых композиций.
Личный вклад автора.
1. На основе анализа термодинамических представлений о
свойствах алмазных материалов щ)и высоких давлениях и температурах
автору принадлежит инициатива изучения влияния высокого давления
на повышение термостойкости известных и новых алмазных материа­
лов, применяемых 1фи изготовлении алмазного инструмеита.
2. Автор обосновал направление исследований по изучению
влияния давления на процесс спекания и свойства новых безвольфра­
мовых матричных композиций для связок.
3. Автор непосредственно принимал участие во всех этапах вы­
полнения работы по исследованию алмазных материалов, связок, про­
цессов образования композиционных алмазных материалов 1фи высо­
ких давлениях, разработке конструкций алмазного инструмента, 1фоввдению стендовых испытаний разработанного инс1руменга.
4. Автор принимал активное и непосредственное участие в
создании опытной и промышленной технологий изготовления алмазно­
го инструмента щзи высоких давлениях и температурах.
5. Автор непосредственно участвовал во внедрении разрабо­
танных им технологий изготовления алмазного инструмента на про­
мышленных предприятиях, гфи производственных испытаниях разра­
ботанных алмазных инструментов.
б.Автор осушествляет постоянный контроль над внедренными
технологиями и оказывает научно-техническую помощь производите­
лям инструмента.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы
докладывались на: конференции молодых ученых (Киев, ИСМ, 1980);
на научно-практических конференциях: "Алмазный буровой инстру-
мент" (г. Терек, 1984); "Алмазный инструмент" (Бургаз, Болгария,
1986); "Перспективный буровой инструмент" (Брно, Чехословакия,
1988); "Сгёрхгвердые материалы" (Ю[ев, ИСМ, 1995); выставкеярмарке (Лейпциг, Германия, 1995)., Международной конференции
«СТИМ 2001» (Киев, 2001 г.); на третьей и с петой по восьмую Меж­
дународных конференциях «Породоразрушающий и металлообрабаты­
вающий инструмент- техника и технология его изготовления и приме­
нения» (Киев, и е н 2000-2005Г.).
По теме диссертации опубликована 31научная работа (в т.ч. 15
авторских свидетельств и патентов).
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, вы­
водов, списка литературы и приложений.
В первой главе рассмотрены характеристики горных пород, ме­
тоды их аттестации и определения свойств. Сформулированы требова­
ния к процессам бурения и обработке горных пород в стройицдустрии.
Во второй главе рассмотрены методы испытаний и свойства раз­
личных алмазных мат^)иалов. Показано, что для камнеразрушающего
инструмента может хфименягься широкий круг различных алмазных
материалов, щюанализироваяы преимущества и недостатки каждого
класса этих материалов, изучено влияние термобарической обработки
на свойства четырех типов алмазных порошков: природных алмазов А4,
синтетических алмазов АС125 и SDB, полихфисталлических алмазных
порошков АРК-4. Сформулированы требования к гфоцессам изготовле­
ния алмазного камнеразрушающего инструмента с учетом особенно­
стей алмазных материалов.
Третья глава содержит результаты исследований по созданию
высокоэффективного алмазного камнеразрушающего инструмента, раз­
работки камер высокого давления (КВД), разработки методики анализа
расгфеделения температуры и давления в КВД, разработки процесса
спекания алмазного камнеразрушающего инструмента, изготавливаемо­
го 1фи высоком давЁении. Сформулированы представления о возмож­
ности высокоэффективной работы с созданными К В Д при серийном
щюизводстве алмазного инструмента, проанализ1фованы преимущества
и недостатки различных методов изготовления К В Д (с многослойной
поддержкой из колец и поддержкой намоткой из стальной ленты).
Четвертая глава содержит результаты исследований свойств свя­
зок, применяемых для изготовления алмазного камнеразрушающего
инструмента. Гфоанализированы свойства вольфрамосодержащих свя­
зок, как наиболее часто используемых при изготовлении бурового ин­
струмента. Рассмотрены связки, разработанные для условий изготовле­
ния алмазного инструмента методами горячего прессования и спекания
при высоком давлении. Сформулированы представления об их пре-
имуществах и недостатках при применении их в инструменте для раз­
личных условий камнеобработки и бурения.
Пятая глава содержит результаты исследований по разработке
специальных безвольфрамовых связок алмазного ннструменга, изго­
товляемого методом спекания под высоким давлением, разработанные
методы контроля механических свойств и абразивной стойкости связок,
позволяющие комплексно оценивать работоспособность связок в раз­
личных технологических 1фоцессах. Сформулированы представления о
методах аттестации и свойствах разработанных связок.
Шестая глава содержит результаты исследований по разработке
конструкций бурового алмазного инструмента, изготавливаемого раз­
работанным методом спекания при высоком давлении. На основе ре­
зультатов большого количества экспериментальных и серийных испы­
таний буровых коронок при бурении горных пород различных катего­
рий определены их области применения, режимы бурения и типы 1фимеияемых буровых коронок.
Седьмая глава содержит результаты исследований по разработке
и использованию камнеразрупшющего алмазного инструмента, изго­
тавливаемого 1фи высоком давлении, применяемого при сверлении,
пшифовании, резке сегментными кругами и полосовыми пилами строи­
тельных мат^налов и горных пород. Сформулированы представления о
применяемых iiiapKax алмазов, составов связок, режимах изготовления и
эксплуатации разработанного алмазного инструмента. Показана пер­
спективность и эффективность серийного применения разработанной
технологии для изготовления широкого класса алмазных инструментов.
Объем работы: страниц 323, рисунков 84, таблиц 94, список ли­
тературы из 282 наименований ципфуемых работ, приложений 3.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ТЕРМОСТОЙКОСТЬ АЛМАЗА
Полиморфный переход фафнг - алмаз является гистерезисным
барогермическим тфевращением. Б^хггермический гистерезис, возни­
кающий 1фи прямом и обратном переходах, приводит к тому, что Р,Т линии синтеза и графитизации алмаза, а также Р,Т - линия термодина­
мического равновесия графит - алмаз не совпадают. На рис. 1 представ­
лена диаграмма состояния углерода и области изготовления алмазного
инструмента. Экспериментальную проверку по влиянию давления на
скорость графитизации природного алмаза впервые провел Bridgman
P.W. в 1947 г. Была исследована графитизация пр1фодных алмазов при
давлениях от 1,5 до 3,0 ГПа. Количественные данные, полученные
Bridgman Р. W, имели значительный разброс. Тем не менее, главный вы­
вод его работы заключался в том, что скорость графитизации повыша-
ется с ростом темпфатуры и снижается с ростом давления. Впоследст­
вии в работах Bovenkiilc Н.Р. при температурах 150О-2ООО°С и давлени­
ях до 2,0 ГПа и Bundy F.P. при температурах 1200-2150 "С и давлениях
3,3-6,1 ГПа получили аналогичные результаты.
Диаграмма состояния углерода.
Pjna
1-линия равнове­
сия алмаз-графит.
I- область изго­
товления камнеразрушающего алмазного
инструмента традици­
онными методами
250
750
1250 Т,-^
П- Р-Т область
изучения взаимодейст­
вия матрицы и алмазов
в настоящей работе.
Рис.1.
Термодинамическому расчету зависимости между давлением и
температурой при превращении алмаза в графит посвящены работы
А.В. Лысенко и др.
Термостойкость алмазов является одной из важнейших характе­
ристик, определяющих работоспособность алмазного инструмента. Ре­
альные алмазные зерна имеют различные дефекты: поры, включения
графита, минералов, металлов-катализаторов, газов и т.д. Форма, раз­
меры и расположение дефектов также носят различный характер. При­
менение давления в процессе изготовления алмазного инструмента
приводит к всестороннему обжатию алмазного зерна 01фужающей сре­
дой, что препятствует разрушению алмазных зерен. Разброс количест­
венных данных по влиянию давления на повышение термостойкости
различных алмазов объясняется большим разнообразием их физикохимических свойств. Кроме того, различные условия при создании дав­
ления, нагрева, наличие среды, передающей давление, снижают цен­
ность количественных значений термостойкости алмазных материалов
для разработки конкретного технологического режима изготовления
алмазного инструмента. Прочность алмазных зерен после нагрева при
изготовлении алмазного инструмента является одной из важных харак­
теристик, определяющих его работоспособность. Поэтому, нами прове-
10
дено изучение влияния давления 1фи нагреве алмазных зерен на их
способность сохранять 1фочностные свойства, и тем самьш позволило
изучить изменение их термостойкости от условий термобарической
офаботки.
Были выбраны 4 типа алмазных порошков, щюдсгавляющие весь
спекф алмазов, пригодных для камнеобработки: природные алмазы А4,
размером 400/315; алмазы фирмы De Beers SDB 1100 размерам 40/50;
отечественные алмазы АС125 размером 400/315; полгафисталлические
алмазы АРК-4 размером 400/315. Быпа разработана следующая методи­
ка проведения эксперимента.
Навеску алмазного порошка смешивали с навеской NaCl и
1фессовали в таблетку под давлением 500 М П а Термобаричвсхую об­
работку проводили в камере высокого давления (КЕД) типа "наковаль­
ня с углублением". К В Д калибровали по давлению при комнатной тем­
пературе по стандартной методике с использованием реперных мате­
риалов: B i и PbSe. Температуру измеряли хромель-алюмелевой термо­
парой непосредственно в процессе проведения термобарнческой обра­
ботки. ГЬсле термобарической обработки прессовки с алмазами раство­
ряли в кипящей воде до полного растворения NaCl. Далее проводили
прочностные испытания термобарически обработанных алмазов в соот­
ветствии с ГОСТ 9206-80. На рис. 2 представлены значения прочности
для термобарически обработанных алмазов. Для алмазов А4 и SDB
1100 влияние давления на термостойкость не существенно в диапазоне
700-1200 °С. Это связано с их высокой начальной термостойкостью.
Для порошков АРК-4 и АС125 повышение давления приводит к повы­
шению их термостойкости. Это связано с большим количеством тфимесей в этих алмазах и, как следствие, невысокой их термостойкостью.
Влияние высокого давления 2,5-4,0 ГПа приводит к некоторому пони­
жению прочности АРК-4 уже при 700-800 "С. Это связано не с термо­
стойкостью алмазных 1фисгаллшов, слагающих полтфисталл, а с на­
личием крупных включений сплава-катализатора, сжимаемость кото­
рых значительно выше, чем у алмазных 1фисталлнгов. Давления 2,5-4,0
ГПа могут приводить к образованию трещин на границе алмаз - метал­
лическое включение. Поэтому, применение сверхвысоких давлений в
2,5 - 4,0 ГПа для изготовления алмазного инструмента, превышают оп­
тимальные давления для алмазов АРК-4. Оптимальными режимзАШ
термобарической обработки являются: давление -1,5-2,0 ГПа, темпера­
тура - до 1050 "С.
Высокие давления, кроме сохранения свойств алмазов, приводят к ак­
тивизации процессов спекания металлокфамической матрицы и взаи­
модействия на поверхности алмаз-связка, что также вызывает необхо­
димость в дополнительном изучении этих процессов при высоких дав­
лениях и температурах (область П на рис. 1).
11
Зависимость прочности алмазного порошка АРК4 400в 15 от
условий обраболси
Зависимость гфочностя алмазного порошка ЛС 12S
400/315 от условий обработки
250
90
SO
200
70
дбО
^ ^
1 - ^
^
- ^
i
|40
1
|зо
и
20
25
700
800 900
1000 1100
Тежпврвхура, *С
1200
1-вакуум(6*10-* + 12*10-'Па);
2-2,5ГП^З- 4,0ГПа
Доверительный интервал определевня орочвости ±6Н
Рис. 2а
ч
^
100
::^
\
\
50 — N
10
О
^'и^--'
^^ ^ ^ ^
И 130
^50
«sJ
— I I —
О
25
700
800
900
1000 1100 1200
Теяшратура, "С
1-вакуум(6*10-' + 12*10^Па);
2-2.5ГПа;3- 4.0ГПа
Доверительный интервал определения прочности ±15Н
Рис. 2 б
Зависимость 1фочности алмазного порошка S D B 1100 40/50 от условий
обработш
1000.1 — >
900
800
700
Я
g 6UU
'т^
§ 500
0.400
С
_ ^ ^ -^
>
1 — -
чг Ч-*
^'^
- ^
120 - 1 1 —
100
\ .
^
- * ^ р^
80
0
U
и
а
С
300
200
м
^
^^яшшттл
= = ■
-===
^
N5
60
т
20
ШО
0
25
Зависимость прочности алмазного порошка А4 400/315 от условвй о^аботки
700
800 900
1000 1100
Тепжрваура, "С
1-вакуум(6*10"' + 12* 10"'Па);
2-2,5ГПа;3- 4,0ГПа
Доверительный интервал определения прочности ±100Н
Рис. 2г
1200
— h —
25
700
800
900
1000
1100
1200
Теяжраззфв, *С
1-вакуум(6*10-' + 12*10-'Па);
2-2,5ГПа;3- 4.0гав
Доверительный интервал определения прочности ±9Н
Рис. 2в
СОЗДАНИЕ 1СВД ДЛЯ Ю Г О Т О В Л Е Н И Я АЛМАЗНОГО
КАМНЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ВЫСОКОМ ДАВ­
ЛЕНИИ ДО 2,5 Г П А
Технология изготовления алмазного камнеразрушающего инст­
румента при давлениях до 2,5 ГПа ра:фаботана на базе установки для
горячего прессования ДО-043 усилием 2000 т.е. Были созданы несколь­
ко К В Д различного объема с использованием двух схем: с многослой­
ной поддержкой стальньши кольцами (до 1,5 ГПа) и с намоткой высо­
копрочной стальной ленты с предварительным натяжением на внутрен­
ний сердечник (до 2,5ГПа). Расчеты К В Д с многослойными поддерж­
ками стальньши кольцами и намоткой стальной ленты проводили с
применением формул Ляме. Для изготовления КВД, с поддержкой
стальной лентой, на сердечник, выполненный из высококачественной
с^'яли ([ст]т = 1,5 ГПа), наматывали с хфедваригельным натяжением
стальную ленту ([а]т = 1,5 ГПа) в несколько слоев. Такую конструкцию
можно рассматривать как многослойный сосуд с множеством мелких
колец, насаженных последовательно дфуг на друтг с натягом. Давление
каждого слоя ленты на прсдыдупщй слой в основном зависит от вели­
чины усилия натяжения ленты фис. За).
PIR=<J5,
(1)
a=N/5h,
(2)
где: N - натяжение ленты, h - ширина ленты, 5 - толщина ленты. Pi давление на виток изнутри, R - рад^с витка ленпл.
Принимая натяжение ленты 1фи намотке постоянным GI = (У2...=<Уn=^, общее сжимающее напряжение запишется в виде:
a^=2crS^-
(3)
r=l {Г2+Х3-
Графически это 1федставлеио на рис. 36 и Зв, где шаг деления
равен 1. Таким образом, значение функции f(n) выражает площадь со­
ответствующего прямоугольника или влияние п-го слоя на сжимающее
напряжение стального сердечника.
Суммарное напряжение на внутренней стенке от всех слоев
ленты определяется выражением:
(7^ =СТ1П
(r,+„S-df-r^
г, -г.
<Т'=/(П)
(4)
Для КВД, имеющей габариты стального сердечника ri = 60 мм,
Гг = 100 мм и толщину ленты 5 = 0,8 мм, меняя количество наматывае-
14
мых слоев, можно оценить значения напряжения на внутренней стенке
камеры. При натяжении ленты с напряжением а = 0,8-0,85 ГПа хфедельное сжимающее напряжение на внутренней стенке сердечника для
различных слоев ленты представлены в табл. 1.
Такая конструкция K B Д рассчитана на щкдельное давление
H-J-f
P=a<^,] + qf(n))'
(5)
Для 0 = 0,85 ГПа ип= 125
1-
Р = (1,50+0,85-1,7) •
60
[^100+125-0,8
«1,5/770-
Таблица 1
Влияние количества слоев левты на сжимающее напряжение
на вщтренней стенке стального сердеч^пса
п, шт.
100
125
150
о', ГПа
1,24
1,45
1,62
Для MaTq)HanoB, хорошо работающих на сжатие, например,
твердых сплавов с [<т,]>3 ГПа, возможно более эффективное использо­
вание намотки.
Использование намоточного варианта для изготовления камфы высо­
кого давления с более полным использованием прочностных свойств
ленты при числе слоев более 150 позволяет получтъ предальное дав­
ление в 2-2,5 ГПа. Нами были изготовлены камеры высокого давления с
рабочтш параметрами: рабочий объем до 3 дм^, давление до 2,5 ГПа,
которые успешно тфошли опытно-промышленную проверку. Дополни­
тельным преимуществом данного типа камер является возможность их
изготовлять малогабаритными, что позволяет использовать их со стан­
дартным прессовым оборудованием.
При проведении процесса спекания алмазоносного слоя при
высоких давлениях важно точно знать и поддерживать температуру и
давление в ячейке КВД в течение определенного времени. С помощью
пакета прикладных щюграмм, разработанных в И С М им. В.М. Ъакуля
для моделирования процессов хфисгаллизации алмаза, нами было рас­
считано температурное поле в рабочем объеме камеры высокого давле­
ния, которое для схемы сборки К В Д 0 120 мм (рис. 4а) гфедставлено на
рис. 46. Для измерения распределения давлений в К В Д нами была раз­
работана специальная методика по его определению с помощью образ­
цов-свидетелей. Распределение давлений в К В Д представлено на рис.
4в.
15
Расщ>едепение усилий на ленте
Рис.3 а
Распредепшне ускпнй на сталыюи со>дечнике
Рис.3 б
Усилия сжиия на стальном сердечнике от п-го слоя
т*
Шк
Шт^
_ ^ ^^м~
12 3 4
п-1 п
Рис. 3 в
16
п
Схема сборки К В Д для спекания образцов (сепктог,
брусков)
Схема расцределешп температур в реахпюшюв я^Ыке К В Д
А-А
Рис 46
Схема раофеделешя дааловй в реахпиопой ачейке К В Д
эоекгро-птеппошолирующм
кашипповвя
(Лойма
1- в е р х т й поршень, 2 - верхний торцевый нагреватель; 3 - графмговьЛк
диск; 4 - sjmcipo- и тешюизотфующая катл|]»т>вая обойма; 3 - контей­
нер высокого давления. б - графитовая подложка; 7 - спекаемое образцы,
8 - нижний торцевый нагреватеш), 9 - нижний поршень
Рнс. 4а
РАЗРАБОТКА СВЯЗКИ ДЛЯ АЛМАЗНОГО
КАМНЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Для изготовления алмазного камнеразрушающего инструмента
наиболее часто применяют связки на основе кс^альта, никеля и на ос­
нове композиции твердый сплав - медь. Однако кобальтовые связки
очень дороги, никелевые малоабразивные, а связки на основе твердого
сплава требуют нагрева при изготовлении инструмента до высоких тем­
ператур, щювышающих термостойкость синтетических алмазов. Нами в
качестве основы для ра^батываемых связок был выбран никель, при­
меняемый при изготовлении инструмента из термостойких алмазов. Не­
смотря на то, что термостойкость сиигетических алмазов повышается с
увеличением давления, даже при давлении в 2,5 ГПа температура
спекания инструменга с алмазами АРК-4 не должна превышать 10501100 ° С из-за возможного снижения прочностных свойств алмазов. Для
повышения абразивной стойкости связки никель легировали
диборвдами тягана или тфома, порошком твердого сплава ВК15. Выбор
диборидов титана и хрома, во-первых, обусловлен тем, что они должны
образовывать жидкую фазу с никелем при данных температурах. Вовторых, борвды титана, хрома и никеля обладают высокой твердостью,
что должно приводить к увеличению общей твердости и
износостойкости связки. В-третьих, титан и хром являются карбидообразующими элементами. Возможность образования карбидов в малых
количествах на поверхности алмаза должна приводить к дополнитель­
ному адгезионному его закреплению в связке.
Образцы изготавливали по следующей методике. После взве­
шивания навесок порошков никеля и соответствующего легирующего
компонента их смешивали в течение 3-х часов в смесителе типа "пья­
ная бочка". Затем таеску полученной шихты, рассчитанную для изго­
товления беспористых брусков размером 7,5x7,5x40 мм, подвергали'
холодному прессованию. После чего ячейку высокого давления с об­
разцами помешали в КВД и спекали под давлением 1,5 Ш а и темпера­
туре 1050 "С в течение 6 минут. Образцы для механических испытаний
определенных рагшеров получали шлифованием спеков.
Полученные образцы подвергали механическим испытаниям на
твердость, сжатие, изгаб, срез, а также определяли их абразивную стой­
кость. Поскольку данные по механическим свойствам связок алмазного
камнеразрушающего инструмента в литературе представлены не доста­
точно, в настоящей работе проводили испытания образцов стандарт­
ных связок на основе никеля, кобальта и твердого сплава (М6-02). Об­
разцы связок М6-02 были получены инфильтрацией медью прессовок
из твердого сплава ВК-15 в водороде при температуре 1250 °С
18
Образцы связки на основе кобальта изготавливали двумя спосо­
бами: при горячем прессовании порошка кобальта ПК-1у ГОСТ 972279 в графитовой прессформе при давлении 30 МПа и температуре 750
°С в течение 6 минут и в К Е Д при давлении 1,5 ГПа и температуре 1050
°С в течение 6 минут. Образцы связок на основе никеля и никеля с 10 %
ВК15 были получены спеканием под давлением 1,5 ГПа и температуре
1050 °С в течение 6 минут.
Дня экспресс-оценки абразивной стойкости при разработке но­
вых связок алмазного материала нами была разработана методика с
применением стандартного технологического оборудования.
При определении абразивной стойкости образцов связок про­
водили их испытания на истирание на установке УАС-2М. Планшайба
была изготовлена из керамики 22ХС. В качестве абразивного порошка
использовали алмазный щлифпорошок АС6 50/40. Данные по абразив­
ной стойкости образцов связок, получаемые при использовании алмаз­
ного порошка, хорошо коррелвруют с данными, полученными с ис­
пользованием фугих абразивных материалов. Кроме того, исходный
алмазный порошок обладает стабильными механическими и гра^лометрическими свойствами и наибольшей абразивной стойкостью. Эти
преимущества алмазного порошка гфиводят к повышению точности и
надежности получаемых результатов.
На рис. 5а 1федставлены временные зависимости убыли массы
образцов связок в процессе испытания. № эксперимеигальных дан­
ных, представленных на рис. 5а, следует, что за 60-150 минут процесс
уменьшения массы образцов полностью заканчивается. Причем макси­
мальная скорость уменьшения массы образцов связок фиксируется в
первоначальный период испытания. На рис. 56 представлены экспери­
ментальные точки убыли массы образцов связок в процессе испытания
и расчетные зависимости, описьшаемые уравнениями вида:
uM=At^,
(6)
где: Ш - убыль массы; t - время, с ; А и В - коэффициенты.
Вид зависимостей с постоянным уменьшением скорости убыли
массы образцов от времени, по нашему мнению, связан с применяемой
методикой оценки абразивной стойкости образцов связок. До начала
испытания навеска алмазного порошка имеет исходный гранулометри­
ческий состав. В процессе испытания происходит раздтпенне исход­
ных алмазных зерен, уменьшается их размер, что приводит к снижению
абразивной способности и к уменьшению скорости съёма образцов. В
реальных условиях работы алмазного инструмента происходит посто­
янное вс1фыгие обрабатываемого материала и образование нового абра­
зивного шлама взамен удаленного. Поэтому только на начальной ста­
дии испытания, когда наблюдается линейная скорость съема образцов
19
связок, разработанная нами методика моделирует реальный процесс
камнеобработки. Продолжительность этой стадии зависит от механиче­
ских свойств испьпываемых связок На рис. 5в представлены рассчи­
танные методом наименьших квадратов линейные зависимости вида
м/ = Cf и экспериментальные точки убыли массы офазцов связок в те­
чение первых 20 минут испытания. Из представленных на рис. 5в дан­
ных хорошо видно, что линейная зависимость убыли массы образцов
связок от времени удовлетворительно описывает экспериментальные
данные. Поэтому для данных связок время проведения испытания
должно быть ограничено 20 минутами. Средняя скорость съёма мате­
риала связки за это время характеризует их абразивную стойкость.
Свойства испытанных связок на абразивную стойкость, их твердость и
коэффициенты степенных и линейных уравнений, описываюпщх щтвые убыли массы образцов этих связок, приведены в табл.2.
Таблица 2
Коэффициенты степенных и линейных уравнений, описывающих кри­
вые убыли массы образцов связок при испытаниях на истирание
N<
Состав связки
1
2
Ni + 5%CrB2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
Ni +15% СгВг
Ni + 30%CrB2
Ni + 5%TiB2
Ni + 15%TiB2
Ni + 30%TiB2
Ni + 10%BK15
M6-02
(BK15+CU)
Co
M6-25 (Co)
Твердость,
HRB
(HRC,)
Коэффициен'па
уравнений сте­
пенного вида
Коэффици
ввт
линейного
уравнения
А
34,5
В
0,49
12,8
0,58
4,0
3,9
60,5
13,4
70,3
94,0
19,0
0,35
0,62
0,30
0,34
0,63
10,0
4,5
10,9
15,6
6,6
8,5
4,25
9.8
14,0
7,1
(24-28)
60,5
0,41
11,7
6,25
(26-27)
29,7
20,7
0,57
0,65
8,9
7,6
8,25
85-87
93-97
(17-19)
(31-39)
78-82
86-88
86-90
81-82
90-92
С
8,3
Скорость
убыли
массы за
20мнн.,
мг/мин.
8,0
10,8
Связки №№ 1-7 и 9 изготовлены при 1,5 ГПа и 1050 °С.
Даже 1фи одинаковых условиях испытаний для сплавов одно­
родных систем (Cu-Sn) или М-СгВг (№ 1-3, табл. 2) твердость не может
служить косвенным показателем их абразивной стойкости, тем более
работоспособности в тех или иных процессах камнеобработки.
Поэтому, кроме определения абразивной стойкости и измерения
20
Временные зависимости убыли массы образцов свя­
зок при испытании на истнравие от содержания
H B J C O B J ) В ннкеле(а) и для образцов связок №7-10
Экспериментальные точки и расчетные зависи­
мости убыли массы образцов различных связок
1М.Ш
300
430
too
350
300
-гЬ-рф::*:::::::::-*
2S0
■j^l^^^^^'F't---- t-'
ао
200
ISO к
100
SO
о0
Е xi
_L --j-'-j;;
40
во
во
100 1.М» I'to
1«о
Время испытания, мин.
j^-
10 20 30 40 50 ISO 70 Ю TO too 110 120 130 140 150
Время испытания, мин.
1- 5%СгВ2;2-15% CrBj;3- 30% CrBj;
4- 5% TiB,;? - 15% TiBj;6 - 30% TiBj;
A M , tir
500
450
400
3iO
XO
MO
1
1
1
.1
-t^ --- "Г
200
1
о
1
*•
■^
\
ISO
1
100
JO
л0
1
1
10 20
i
,
1
-
,
<^ "
-
го
г
40
«о
во
ion 1JO 1-40 i<so
Время испытания, мин.
1
1
J.
-L
30 40 iO 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Время испытания, мвн.
Рис. 5а
о
.го
^о
«о
ко
1UO &зо i'to
Время испытания, мин.
Рис.56
KSO
Эксперимевтальные точки и расчетные линейные
зависимости убыли массы образцов различных
связок (та6л.2)в течении начального периода
20
40
<SO
во
100 1ZO 140
Ч
Зависимость механической скорости бурения
от осевой нагрузки на различных частотах
вращения инструмента и зернистости объем­
ных алмазов опытных коронок
V „ f , HiWiH.
1вО
Время испытания, мин.
Ю
Время испытания, мин.
М кП
^>емя испытания, мин.
Рис.5 в
1-450 об/мин,б30/500;
2-600 об/мин,630/500;
3-450 об/мня, 1000/800;
4-450 об/мик,1600/1250;
5-1250 об/мяв.100/800:
6-600 об/мин, 1600/1250;
Рис.6
твердости по методу Роквелла, проводили испытания связок на сжатие
(определяли тфедел прочности (Ос»); предел текучести (Отсж.) и усадку
(е, % ) ; изгиб (отфеделяли предел прочности (С^), предел те1учести
(От,иэт) и полный прогиб (f)); срез (определяли предел прочности (а,^.))
и полную абразивЕ^ стойкость. Механические свойства образцов,
разработанных (для оптимальных составов) и стацдаргных связок,
представлены в табл-З.
Таблица 3
Механические свойства образцов стандартных и разработанных связок
Изгиб
Состав
Ощ
Сжатие
i
СГсж
Or
МПа
МПа
0,39
600
800
Ni + (3-10)TiB2
Ni + (8-20) CrBj
Cfx,
МПа
МПа
660
мм.
1,45
BK15-fCu
водород,
1250°С
%0
%0
Со
600
Со
30МШ;750°С)
Ni+10%BK15
Срез
е,
tJop.,
Из­
нос,
мг.
500
%
43
МПа
310
360
1120
840
18
310
440
0,36
910
830
4.2
150
390
530
1,02
1090
420
23
250
435
500700
500700
0,30,4
700800
450530
2030
200250
235350
500900
500800
0,350,6
800900
500700
10-
200250
190250
900
960
35
С целью изучения процессов, щхпекающих при спекании об­
разцов связок в условиях высокого давления, проводили их количест­
венный ревтгенофазовый анализ (на установке ДЮН-4 в режиме шаго­
вого сканирования) и металлографическое исследование. Составы об­
разцов и результаты количественного рентгенофазового анализа приве­
дены в табл. 4. При сравнении данных, представленных в табл. 4, с со­
ответствующими диаграммами состояния можно сделать вывод, что ус­
ловия спекания образцов не позволяют достигнуть равновесного со­
стояния для сплавов изученных систем. Причем в системе Ni-CrB2
взаимодействие вдет наиболее интенсивно.
Для проведения металлографического анализа шлифы образцов связок
подвергали травлению в концентрированной азотной кислоте.
23
Фазовый состав образцов связок
Состав связ­
ки, %
Ni-5%TiB2
Ni-15%TiB2
Ni-30%TiB2
Ni-5%CrB2
№-15%СгВ2
Ni-30%CrB2
Таблица 4
Фазовый состав образца, %
твердый р-р ш основе Ni-90%; TJB2-3%; NijoTijBe-Tyo
твердый р-р на основе Ni-72%; TiB2-8%; №2оТ1зВб-20%
твердый р-р т основе Ni-62%; TiB2-16%; №2оТ1зВб-22%
твфдый р-р на основе№-94%; СгВ2-2,5%; №2В+№зВ-3,5%
твфдый р-р на oci«)BeNi-85%; СгВ2-4.6%; №2В+№зВ-10%
твердый р-р на оаюве№-77%; СгВ2-10%; МгВ+МзВ-! 3,4%
Металлографическое исследование показало, что сплавы систе­
мы никель - дибсфид титана имоот трехфазную структуру во всем изу­
ченном диапазоне концентраций (до 30 % TiB2). Блестящие включения
представлены фазами на основе диборида титана. Мшфотвердость
включений в сплавах с содержанием 3 % ТШг достигает 8 Ш а ; с со­
держанием 30 % Tfflz достигает 27 ГПа. Блестящие включения 01фужены серой фазой ва основе никеля, мшфотвердость которой 1факгически
не менялась во всем изученном диапазоне концентраций (до 30 % TiB2)
и составляла 1,4-1,6 Г Ш . На границе блестящих включений и серой фа­
зы наблюдали тфомея^точную фазу, не имеющую четко вьфаженных
границ. С повышением концентрации ТШг в никеле количество твер­
дых частиц повышается, растет и их мшфотвердость. Сущеопвеяяого
повыш^гая микротвердостн фазы на основе никеля не тфоисходиг, не
происходит и увеличения твердости образцов, измеренных методом Роквелла. Проведенный фрактографический анализ изломов образцов
сплавов системы никель - диборид титана свидетельствует, что качест­
венного изменения хгеракгера изломов с повшопением содержания TiBa
не наблюдается. Увеличивается число округлых частиц на поверхности
излома. В целом можно сделать следующее заключение, что условия
спекания образцов системы никель - диборид титана не достаточны для
Ефотекания щюцесса активного химического взаимодействия частиц
никеля и диборида титана. При небольших количествах Tffla абразивная
стойкость образцов растет за счет некоторого повышения их твердости
и наличия твердых абразивных частиц на основе диборида титана в
матрице никеля. При дальнейшем повышении содержания ТШг проч­
ность удержания твердых частиц в матрице на основе никеля ослабева­
ет за счет повьппення вероятности образования контакта между твер­
дыми частицами и процесс износа из стадии истирания переходит в
стадию мшфовьофашивания, что приводит к снижению общей абра­
зивной стойкости образцов. Оптимальным содержанием TiBa в никеле
следует считать содержание от 3 до 10 % .
24
Металлографическое изучение образцов связок системы никель
- диборид хрома показало (также как и для системы никель - диборид
титана), что ми15юструкгура сплавов не однородна. Однако, можно
выделить две структурные составляющие. Это серая фаза на основе ни­
келя и темные округлые включения (до 10-12 % СгВг) или серая фаза на
основе никеля и блестящая округлая фаза на основе диборида хрома
(при содержании СгВг более 12 % ) . Микротвердость фазы на основе ни­
келя изменялась от 1,4 ГПа при 5 % СгВг до 2,6 Ш а при 30 % СгВг.
Мивротвердость темной фазы составляла 3,2-4,0 ГПа (по-ввдимому, это
фаза на основе борвдов никеля), MroqpoTBepflocrb блестящей фазы дос­
тигала 7,0-8,0 ГТЬ. Фрактографический анализ изломов также показал
значительные различия в поверхностях образцов различного состава.
Характер изломов образцов с повьппением содержания диборида jqwMa
меняется от межкристаллитного к частично транофисталлигному раз­
рушению. Сопоставление результатов металлографического и рештенофазового анализов, совместно с результатами механических испыта­
ний, позволяют заключить, что тфоцесс химического взаимодействия
1фи спекании образцов системы никель - диборид ?фома щхпекает бо­
лее активно, чем образцов системы никель - диборид титана. Поэтому,
несмотря на то, что частицы диборида хрома по значениям мшдютвердости значительно уступают частицам диборцца титана, износостой­
кость и механические свойства образцов композиции никель - диборид
хрома значительно выше. Оптимальная концентрация диборида ?фома в
никеле тфи использовании данных композиций в качестве износостой­
ких связок составляет от 8 до 20 % .
ФГОИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ Ф А З ПРИ ИЗГО­
ТОВЛЕНИИ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ИС­
ПОЛЬЗОВАНИИ СВЯЗОК СОСТАВА НИКЕЛЬ-ДИБОРИД Х Ю М А
(ТИТАНА)
Рабочий слой алмазосодержащего инструмента можно рас­
сматривать как композшщонный материал, в котором один из компоне1пч>в является непрерывной фазой (связка), а ;фугой (зерна алмаза)
равномерно распределен в ней в виде включений. Освовньш требова­
нием к связке является прочное закрепление частиц алмаза. Удержание
абразивного зерна может происходить механически или в сочетании
механического и адгезионного его за1фепления в связке. Термодинами­
ческий анализ системы никель-диборид тигана-алмаз показал возмож­
ность образования борцдов никеля, карбида титана, интерметаллидов
системы никель-титан. Термодинамический анализ системы никельдиборид хрома - алмаз также показал возможность образования боридов никеля и карбидов хрома.
25
Изучение химического взаимодействия связки с алмазом в об­
разцах з'казанвых систем проводили по следующей методике. Путем
спекания при давлении 1,51 Ш , при температуре 1050 "С в течение 6
минут были приготовлены образцы следующих составов: 50 об. % (никель-15 % СгВг) - 50 об. % алмаз м^ки А С М 40/28 (1); 50 об. % (никель-5 % TiBz)- 50 об. % алмаз кшрки А С М 40/28 (II). Повышенное со­
держание мелкого алмазного порошка (по сравнению с применяемым в
инструменте) использовали для создания большой м е ж ^ н о й поверх­
ности контакта алмаз-связка. Для устранения примесей образцы шли­
фовали и проводили реитгенофазовый аналю. Результаты рентгенофа­
зового анализа представлены в табл. 5. Из представленных в табл. 5
данных следует, что в системе никель-диборид титана-алмаз не обра­
зуется фаза №2оТ1зВб, в количестве достаточном для обнаружения мето­
дом рентгенофазового анализа. Это связано с растворением углерода в
никеле, что подтверждается некоторым увеличением периода решетки
гверцато раствора на осаове никеля.
При использовании связки на основе системы никель-диборид
хрома, 1ф0ме механического, наблюдается и адгезионное закрепление
алмазных зерен, поскольку методом Р Ф А обнаружено карбвдообразование.
Таблица 5
Фазовый состав алмазосодержащих образцов
№ образцов
Фазовый состав образцов после спекания
I
твердый р-р на основе Ni (период решетки а=3,52
анг.), алмаз, СтВг, МгВ-МзВ, СггзСв
П
твердый р-р на основе Ni (период решетки а=3,53
анг.), алмаз,ТШ2,Т12В5
При рассмотрении щюблемы закрепления алмазных зд)ен не­
обходимо отметить то, что тфименение высоких давлений позволяет
провести дополнительное за1фепление алмазных зерен в связке за счет
различия коэффициентов термического расширения и сжимаемости ал­
мазного зерна и металлокерамической связки различного состава. Была
рассмотрена система, состоящая из порошкообразной металлической
связки с расположенньш внутри нее алмазным зерном. После нагруженпя этой системы высоким давлением при повышевии температуры
щюисходит сближение частиц связки и исчезают возможные поры
внутри порошковой массы и вокруг алмаза. В результате пластического
течения образуется монолитная масса связки вотфуг алмаза, которая
равномерно и всесторонне его обжимает. Охлаждение системы алмаз связка ведет к термической усадке материала и, в связи с различными
коэффициентами линейного расширения алмаза и связки, к еще более
26
сильному обжатию алмаза. Снятие внешнего давления ведет к разгрузке
системы, однако термическое давление сохраняется и гфодолжает
удерживать алмаз в связке. Для расчета давления связки на алмазное
зерно после охлаяедения был рассмотрен сферический алмаз радиуса г,
ов^руженный связкой в ввде сферы радиуса R, как камеру высокого дав­
ления. Термическое расширение пространства у алмаза приводит к уве­
личению радиуса R на величину AR:
AR = a-RAt,
(7)
где а - коэффициент линейного расшщюния, At - перепад температур,
на которые нагревается связка.
Такое же увеличение радиуса R при создании внутреннего дав­
ления произойдет при давлении Р.
PR
М = — {1-2ц),
(8)
где ц - коэффициевг Пуассона материала связки, Е - модуль упругости
материала связки.
Гфияимая во внимание жбольшие размеры алмаза по сравне­
нию с массой связки, можно считать величину [—]->о. Поэтому вели­
чина давления связки на алмаз после охлаждения системы алмаз - связ­
ка вьфазигся величиной:
„
ctE-At
Р=
(9)
l-2/i
Подбщ)ая материал связки можно добиться различного давле­
ния ее на алмаз, а значит и различного за1фепления алмаза в связке. В
табл. 6 гфиведены расчетные значения давления связки на алмаз после
охлаждения системы от 1000°С для некоторых, часто гфименяемых ме­
таллических связок
Таблица 6
Расчетные значения давления связки на алмазное зерно
Р,
Материал
а-ЮЛ
АР, ГПа
Е,
Ц
МПа
связки
ГПа
1/град.
для At= 1000 ° С
Ni
15
200
0,3
7,5
7,5.At
Си
18
120
0,34
6,7
6,7At
W
4,5
400
0,22
3,2
3,2-At
Со
12,3
210
0,3
6,5
6,5-At
Из данных, приведенных в табл. 6, следует, что применение
технологии горячего прессования при высоком давлении при использо­
вании всех представленных металлов в качестве основы связки приво­
дит к прочному механическому закреплению алмазных зерен, что явля27
ется большим преимуществом разработанной технологии изготовления
алмазного инструмента.
СОЗДАНИЕ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ АЛМАЗОСОДЕР­
ЖАЩЕГО СЛОЯ К КОРПУСУ АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА.
Алмазный породоразрушающий инструмент состоит из алмазо­
содержащего слоя и стального корпуса. Алмазосодержащий слой 1фепигся к Kq}nycy механически, либо пайкой. В настоящей работе была
поставлена задача разработать способ 1фепления алмазосодержащего
слоя к стальному корпусу, который бы позволил получать целое изде­
лие за один цикл спекания под давлением, без дополнительной опера­
ции пайки. На основе полученных результатов по композициям NiСгВг и Ni-TiB2 для исследований были изготовлены двухслойные об­
разцы из стальной подложки н композиции на основе никеля, лепфованного диборидом хрома для снижения температуры плавления. Сояержявие диборида хрома варыфовалось от 5 до 15 % . При испытании
на срез образцы разрушались без усилия. Для активирования химиче­
ского взаимодействия на границе раздела и предотвращения окисления
1фи нагреве и :фанении было предложено стальную подлож!^ по1фывать никелем методом гальванического осаждения. Результаты испыта­
ний образцов щюдставлены в табл. 7.
Таблица?
Составы припоя и прочность паяного соединения при испьпгавни
на срез
Характеристика под­
ложки
Состав припоя, %
Прочность на срез,
МПа
СТ.40ХН
№Ч6-15)СгВ2
йО
СТ.40ХН, (по1фытие
№-6СгВ2
48
№-10СгВ2
185
№-15СгВ2
170
-гальванический
никель)
Анализ изломов сввдетельствует о том, что для образцов, бога­
тых диборидом хрома (10-15 % ) , ра:фушвние 1фоходит по телу припоя.
Поверхность излома образцов, содержащих 5 % СгВг, щюходиг частич­
но по поверхности гальванически осажденного на сталь никеля, час­
тично по телу припоя. Отслоения гальванического никеля от поверхно­
сти стали в процессе испытаний не наблюдалось, т.е. прочность 1фепления гальванически осажденного никеля к поверхности стальной под­
ложки превышает прочность самого щ}ипоя. Введение диборида ?q)OMa
в никель в количестве 8-15 % обеспечивает прочность крепления алма­
зосодержащего слоя к корпусу выше прочности и припоя, и алмазосо28
держащего слоя. Введение диборвда хрома в никель более 15 % не це­
лесообразно из-за снижения щючности самого припоя.
Н О В Ы Й АЛМАЗНЫЙ Б У Ю В О Й ИНСТРУМЕНТ.
Одной из актуальных задач в облаете буровой техники являет­
ся создание высокоэффективного породоразрушающего инструмента
для бурения горных пород.
В настоящей работе на основе метода спекания тфн давлении
до 1,5 Ш а с использованием алмазов АРК-4, обладающих необходи­
мыми прочностными свойствами и низкой стоимостью, и новых разра­
ботанных связок, был разработан целый ряд коронок К С К (коровка из
синтетических "карбонадо") для различных условий эксплуатации. При
изготовлении коронок использовались алмазы АРК-4 фракций от
1600/1250 до 630/500 в алмазосодержащем слое. В качестве по;фезных
были использованы алмазы АРК-4 2000/1600. Была разработана сле­
дующая технология изготовления коронок. Прессовали нагреватель
тфофильного типа из графито-катлинитовой шихты (с вкладышами под
промывочные окна) в пресс-форме, укладывали подрезные алмазы по
определенной схеме, в каящый алмазосодержатций сегмент засыпали
навеску гранулщюванной алмазной шихты, засыпали шихту припоя,
устанавливали корпус коронки и прессовали сборку. После прессования
сборку алмазной коронки извлекали из тфесс-формы, и проводили
сборку ячейки камеры высокого давления для спекания коронки мето­
дом горячего прессования под давлением до 1,5 ГПа. После горячего
прессования проводили механическую обработку заготовки для тфидания ей окончательных размеров. Для упрощения технологии сборки, а
главное для равномерного распределения алмазов в объемном слое, бы­
ла разработана технология грануляции алмазов АРК-4. Процесс грануляхщи заключается в изготовлении однородных гранул, состоящих из
цетпрального ящ)а (частицы АРК-4) и нанесенного на нее слоя связки.
Твердость связки после спекания составляла от 20 до 35 ед. ТШСэ.
Опытные коронки испьпывались на стенде СКВ ВПО "Союзгеотехника", на станке мод. СБА-500. Бурение проводили по блокам лабрадори­
та и габбро Vni-IX категорий буримости.
В результате стендовых испытаний опытных коронок установле­
но, что при бурении данных горных пород инструмент имеет высо!^^
износостойкость и тфоизводительность. Расход алмазов объемного слоя
составил 0,3-0,375 карат/м. ^фения. Механическая скорость бурения
достигала 10-15 см/мин. Высокая прочность конструкции коронок
обеспечивала их стабильную эксттлуататщю на форсированных режимах
бурения 1фи осевых нагрузках до 20кН и частоте вращения до 1250
об/мин. Зависимость механической скорости бурения Уыех. от осевой
29
нагрузки при различных частотах вращения и зернистости объемных
алмазов опытных коронок представлена на рис. 6. Из данных, представ­
ленных на рис.б, следует, что повышение частоты вращения коронки,
увеличение осевой нагрузки и увеличение зернистости алмазов АРК-4
приводят к повышению скорости бурения. Повышение осевой нагрузки
приводит к увеличению удельных нагрузок на алмазные зерна, обеспе­
чивая их более глубокое внедрение в горную породу. Поскольку удель­
ная прочность алмазных зерен АРК-4 слабо зависит от их размера из-за
особенностей их структуры, становится возможным использование
1фупных фракций алмазных порошков. Скорость щюходки при увели­
чении фракции алмазов от 630/500 до 1600/1250 возрастает в 3-4 раза
при бурении пород VIQ-IX категории буримости. Чтобы обеспечить
полное использование ресурса коронок по проходке, для изготовления
их корпусов применялась сталь 40ХН. Температура спекания коронок
под давлением составляла 1000-1050°С, что обусловлено термостойко­
стью алмазов АРК-4 1фи давлениях 1,5 ГПа. Такая температура недос­
таточна для протекания активного химического взаимодействия сталь­
ного корпуса коронки с алмазосодержащей матрицей при спекании.
Иря форсированных режимах Прения наблюдалось отслоение алмазо­
содержащего слоя от стального корпуса. Щ)именение корпуса, гальва­
нически покрытого никелем, и разработанной порошковой 1фш1аечной
композиции, включающей никель и диборид хрома, позволило решить
щхзблему тфочного за1д)епления алмазосодержащего слоя на корпусе
коронок. В дальнейшем, при любых скоростных режимах бурения, в
коронках, спеченных со специальным 1фШ1оем, отслоения алмазосо­
держащей матрицы не наблюдалось.
Производственные испытания алмазных коронок К С К и К С К И (
им1фегшфованвые) 1фоводили на плановых скважинах Печенегской
Г Р П (Кольский полуостров). По результатам стендовых и производст­
венных испытаний была определена оптимальная наг^^ка на отдель­
ное алмазное зерно и, учитывая это, предложена методика расчета раз­
меров алмазосодержащих секторов коронки в зависимости от iqiynHOсти применяемых алмазов и их концентрации в алмазосодержащем
слое, разработаны конструкции буровых коронок для массового произ­
водства. Дня сравнения использовали серийные буровые коронки 02ИЗ
и 01 A3 из тфщюдных алмазов щюизводства КБЗАИ г. Терек Результа­
ты работы коронок 1фи бурении горных пород различных типов 1федсгавлены в табл. 8.
Для бурения пород IX-XI категорий буримости была ра^аботана
коронка АКСК. В этой коронке были использованы как износостойкие
1фупные алмазы АРК-4, так и дефектные мелкие дешевые шлифпорошки АС6 (АС15) 200/160. Это позволило применять коронки К С К для
пород X-XI категорий буримости. По нашему мнению, процесс бурения
30
коронками А К С К протекает следующим образом. При осевом нагружении коронки происходит внедрение алмазов в горную породу. В ней
происходит образование трех зон; деформации, вьлсола и пре;фазруп1ения. Глубина зоны предразрушения в 7-11 раз превышает глубину вне­
дрения алмазных зерен. Известно, что образование трещин при бурении
коронками с мелкоразмерными алмазами происходит при меньших об­
щих нагрузках. Для увеличения количества алмазных зерен, контакти­
рующих с породой, использовались мелкие синтетические шлифпорошки АС6 (АС15) 200/160. Наличие большого количества алмазов на
поверхности коронки способствует образованию трещин в горной по­
роде. Но поскольку прочностные и абразивные свойства хфименяемых
шлифпорошков алмазов значительно уступают алмазам АРК-4, то всю
силовую нагрузку воспринимают именно эти алмазы, которые контак­
тируют с ослабленным слоем горной породы. После удаления этого
слоя происходит заглубление коронки и акты образования предразрушенного и разрушенного слоев повторяются.
Комбинированное использование синтетических поликристал­
лических и моно1фисталлических алмазов в породораз1^п1ающем инст­
рументе обеспечивает большую эффективность бурениягорныхпород
высокой твердости IX-XI категорий буримости, что значительно рас­
ширяет область применения синтетических алмазов в буровой технике.
На основе научно обоснованной разработанной технологии из­
готовления алмазного инструмента и определенного механизма взаимо­
действия алмазного зерна с горной породой, был спроектирован целый
ряд буровых коронок для бурения горных пород с различными свойствама Рекомендации по выбору коронок в зависимости от твердости
разбуриваемой горной породы щюдставлены в табл. 9.
Разработанная высокоэффективная, энергосберегающая и эко­
логически чистая технология изготовления алмазных буровых коронок
К С К используется в серийном производстве инструмента на электроме­
ханическом заводе (ЭМЗ) г. Лермонтов, Ставропольского края. Основ­
ные технические характеристики серийно выпускаемых алмазных бу­
ровых коронок приведены в табл. 10. Номенклатурный перечень и тех­
нические характеристики серийно вьшускаемых на ЭМЗ буровых коро­
нок К С К представлен в прилоя£нии 1 диссертации.
СОЗДАНИЕ АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАЛЬНОГО
ИНСТРУМЕНТА
Разработана рациональная технология изготовления алмазных
шлифовальных головок ( Ш Г К ) с использованием 1фупных прочных
шлифпорошков алмаза АРК-4 методом горячего прессования 1фи дав­
лении 1-1,5 ГПа, и определен оптимальный состав связки для алмазо­
носного слоя. Схема сборки ячейки камеры высокого давления при из­
готовлении шлифголовок
такова, что
горячему прессованию
31
Таблица S.
Результаты бурения пород различного типа
Вид и категория горных
пород
Тип
буровых
коронок
Содер
жашю
алма­
зов,
карат
14.0
17,5
11.2
Амфиболитовые и
АКСК-59
биотиговые окварцованные
КСКИ-59
роговики, песчаники, скарны,
02Ю-59
гранты (IX-XI)
Кварциты, гнейсы, сиениты.
АКСК-76
19,0
1фисталлические сланцы (IXКСКИ-76
24,0
XI)
02ИЗ-76
15,6
Трещиноватые граниты.
АКСК-59
14,0
кварциты.
01АЗ-59
7,5
мигматиз1ф0ваш1ые гнейсы
(IX-XI)
П^редотиты, оквц)цовавные
АКСК-59
14,0
туфы, габбродиабазы (УШКСКИ-59
17,5
IX)
01АЗ-59
7,5
X - средняя 1фоходка на ко
ронку КСК-59 дозашлт
Режимы бурения
Частота
Осе­
вращения
вое
коронки.
уси­
об/иин
лие.
кН
7-12
360-370
6-12
280-710
8-13
470-715
8-12
340-780
ЮВКИЩ) и износе 2 0 % .
Сред­
няя
проходк
ана
коронку
,м
34,5
8"
13,5
33,6
34,8
15,7
6,25
2,2
56,8
59,7
18,4
Средняя
механическ
ая скорость
бурения.
Удель­
ный
4,2
2,7
2,7
расход
алмазов.
карат/м
0,41
0,44
0.83
2,7
2,1
1,7
2,6
1,4
0,56
0.69
0,99
2,24
3,41
3,5
0,25
0,29
0.41
MJMWR.
3,75
1.9
Таблица 9
Рекомендации по выбору коронок К С К
Коронки
Шкала бурнмости (группа твердости)
Мягкие породы
V'
3-4^
(кальцит)
135-163^
{
ч
Ч s#
■в
о
П
S;5r
к
\ь...
B W
\
зф с
м
Одпос
лойяы
е
Импре
гннров
анвые
Матрица
2-5
7-12
12-30
30-50
50-90
90-130
200-250
400-500
1
II
Ш
Каменный
уголь,
глинистые
сланцы,
мелкозерни
сше
известняки,
доломиты,
мраморы и
др.
VI
5
(аметист)
360-490J
К4>емняев
ые
известняк
и,
алевроли
ты и др.
Твердые породы
VII
6(полевой
шпат)
490
Окремненн
ые
аргиллиты,
окремненны
е доломиты,
кв^щевые
песчаники и
Др.
VIII
-
Гнейс
ы,
диабаз
ы,
лабрад
орнты
идр
Очень твердые породы
IX
-
Кремнист
ые
породы,
окремвен
ные туфы
идр.
X
7(кварц)
560
Базальты,
граниты,
крепкие
кварцевы
е
песчаник
и и др.
XI
XII
8 (топаз),
9 (корунд),
10 (алмаз)
-
1250
Кварциты,
1фвпкие
песчаники,
кремнистые
сланцы,
кварцевые
порфиры,
граниты и
др.
Дациты,
кварцевые
конгломерат
ы, крепкие
вязкие
кварциты и
ДР
II
_
^
■■■■
—г
^
ПШ!
—
_
' - X l l -бальняя шкала; ^ - по Моосу;' - по Кнупп> 1 - матрица имеет тверяостп. 2C-2S ед HRC ( применяется для бурения торных пород средней и
высокой твердости, средней абразивности. II - матрица имеет твердость 20-23 ед. HRC ( применяется для бурения малоабразивнык горных лород
средней и высокой твердости; Ш - матрица имеет твердость 30-35 ед. HRC (применяется для ej^ieuHfl горных пород средней твердости, высокой
абразивности).
Таблица 10
Основные технические характернстюш буровых коронок
Раз
мер.
мм
Обозначе
ние
коронки
Диаметр коронки,
мм
наруж
ный
внутре
нний
КСТ-Тг
КСК-03
КСК-04
KCK-BQ
КСК-03
КСК-04
KCK-NQ
КСК-03
КСК-04
46.3
46,3
46,3
59.7
59,7
59,3
75,5
76,3
76,3
31,7
31,7
31,7
36,3
41,7
41,7
47.6
57,7
57,7
S6
KCK-Ti
86,4
71,7
93
КСК-9?
93,4
72,6
96
KCK-HQ
96,3
63,5
101
КСК-Тб
101,4
79
■й.
46
59
76
Количест
во
промыве
чных
каналов
4
4
4
4
4
4
6
b
6
1
6
ч
6
9
6
6
9
12
Содержание
алмазов, шт/карат
Однос
лойны
е
15
10
23
15
20
20
25
50
40
Импрегн
ированны
€
12
10
15
23
12
18
39
18
28
30
24
40
35
-
50
45
40
Тип матрицы
I
П
Ш
11
11
1
1
f1 1
■
1
Ре1>оменлуемыв режимы бурения
Осевая
нагрузка на
инструмент.
Частота
вращения
инструмент
а, мин'
Подача
промывочной
жидкостя.
м'/час
1000-1200
1.2-1,8
800-1000
].5-2,4
500-600
2,4-3.6
400-500
3-4,2
18-22
350-450
3,6-5,4
30-35
350-400
3,6-5.4
20-25
300-350
3,6-6.0
кН
8-12
6-8
8-12
12-18
8-12
10-15
25-30
12-15
15-20
12-18
1
подвергается сразу комплект заготовок шлифовальных головок из шес­
ти ппук. За один цикл горячего прессования спекается алмазный инст­
румент с содержанием алмаза в 240 карат. Полученные на операции го­
рячего прессования заготовки шлифголовок подвергали механической
обработке для придания им окончательных размеров.
Испытания опытных шлифголовок диаметром 95 мм (ШГК-95),
армированных поликристашшческими алмазами АРК-4 зернистостью
от 400/315 до 1000/800, с концентрацией от 50 до 100% на металлокерамяческой (никель - твердый сплав ВК15) матрице, щюводшш на мо­
заично-шлифовальной машине СО-149 1фи шлифовании мозаичного
пола с мраморным наполнителем возраста семи суток Проектная щючносгь на сжатие 30 МПа. Для сравнения щюводили испытания шлифго­
ловок из поликристаллвческих алмазов АРВ1 на связке М2-01, щюизводства Полтавского завода ио^сственных алмазов и алмазного инст­
румента, и шлифголовок, оснащенных цилицгфнческими вставкаглн
диаметром 10 мм из композиционного материала "Слащтнч", щюизводства Института сверхтвердых материалов (ИСМ) г. Киева.
В процессе шлифования мозаичных полов отбщ>али на иссле­
дование 1фобы шлама. В шламе бетона, обработанного Ш Г К 95 с АРК4 1000/800, обнаружены алмазы АРК-4, размером до 500 мкм. В пробах
шлама бетона, обработанного шлифголовкамн ИСМ, максимальный
размер алмазов не превышал 200 мкм. Применяемый в шлифголовках
композиционный материал "Славугич" состоял из природных алмазов
фракции 630/500 и твердого сплава ВК6, твердость матрицы составляла
84-90 ед. HRA.
Анализ поверхности шлифголовок 111ГК-95 показал, что связка
в процессе шлифования бетона истирается настолько, что алмазы АРК4 возвышаются над ее поверхностью на 0,4-0,5 мм. Это создает условия
для более интенсивного срезания поверхности бетона и отвода шлама,
т.е. повышения производительности шлифования, но и приводит к ос­
лаблению за1фепления алмазного зерна в связке. Не успев сработаться,
алмазное зерно выкрашивается из связки. Это подтверждается наличи­
ем в шламе крупных частиц алмазов АРК-4. Было установлено, что из­
носостойкости применяемой связки твердостью в 22-25 ед. НЯСэ ока­
зывается недостаточно для сбалансированной работы шлифовальной
головки 111ГК-95. Для установления влияния свойств алмазных мате­
риалов и метода изготовления шлифголовок на их работоспособность
были изготовлены 111ГК-95 из ашиазов АРК-4 2000/1600 и 630/500 и
АРСЗ 630/500.111ГК-95 изготовлены методом горячего прессования при
давлении 1,0-1,5 ГПа на металлокерамической связке (Ni - ВК15) с
твердостью 22-25 ед. НЯСэ. При изготовлении шлифголовок использо­
вали припой, разработанный в настоящей работе. Для сравнения испы35
тывали шлифголовки производства ВНИИАЛМАЗа с алмазами АРСЗ и
природными алмазами АЗД на связке М6-01. Технические характери­
стики шлнфголовок приведены в табл. 11.
Таблица 11
Технические характеристики алмазных пшифголовок
Содержание
Харакх^>истика инструмеша
алмазов, кфат
Тип,
концен­
размер инстру­
количе­ ВОДНОЕ
трация
марка
мента
связка
ство
шлиф- всего
алмаза
алмаза,
штук
головнв
%
1. €^)еза алмазная
АРС-3
торцевая
1250/
50
М6-01
41,4
496,0
12
Д=100мм исп.2
1000
ВНИИАЛМАЗ
2. Фреза алмазная
АРС-3
торцевая
50
М6-01
14,4
86,4
6
Д= 100мм исп.1 630/500
ВНИИАЛМАЗ
З.Фреза алмазная
АРСЗ
торцевая
50
М6-01
39,6
237,6
6
Д=100мм исп.2 630/500
ВНИИАЛМАЗ
4. Фрезазфлазная
торцевая Д=100
АЗД
50
М6-01
14,4
86,4
6
мм исп.1 ВНИИ­ 500/400
АЛМАЗ
Ошл-.
S. Шлифголовка
АРС-З
40
100
6
240
22-25
ШГК-95
630/500
HRC3
АРК-4
6. Шлифголовка
С(
(С
40
100
6
240
2000/
111ГК-95
1600
7.111лифголовка
АРК-4
U
ее
40
240
100
6
ШГК-95
630/500
Сравнение износостойкости алмазных пшифголовок по экс­
плуатационным показателям щюводили меящу собой и с традиционны­
ми абразивными шлифовальными инструментами из карбида 1фемния
черного К4, твердостью 2, на связке Б по ГОСТ 2424-82. Обрабопсе
подвергали мозаичные и полимерцементобетонные материалы с преде­
лом прочности на сжатие менее 60 МПа. Глубина шлифования за один
36
проход составляла 0,6-1,2 мм, 01фужная скорость - 0,4-15 м/с, скорость
продольной подачи - 2-3 м/мин, удельное давление - 0,1-0,15 МПа, рас­
ход воды - 20-30 л/мин. Результаты испытаний представлены в табл. 12.
Таблица 12
Результаты испьттавнй шлифголовок.
ПлоРежимы
Поряд­ шад
Величина съема,
Скорость
Обраба­ ковый ьобмм
номер ратывае­
окза
мый ма- инст­ ботпода­
руж
один
румен­ ки,
териал
ча
суммарная
ная,
щюта
м^
м/мин
м/с
ход
Бетонные
поверх­
ности
Мозаич­
ные
№1
№2
№4
№5
Поли№2
мерце№7
менгобетонные
Бетонные Абра­
иполи- зивные
мерцеголов­
менгные ки К4
101188 15
2000 1015
101188 15
1200 1015
10860 15
798 1015
20
4
Результа1Ы испшавий
Эн^гозаipaты
Удель­
Про­
ный
изводи
расход
тельалма­
вость,
зов,
^1ч
карат/м^
0,8
0,20,4
2.5
2,5
1.8
2,8
5,8
5,8
0,23
0,20
0,8
0,10,2
3.0
3.0
1.8
3,0
5.4
4,8
0,15
0,3
2-3
1,2
0,1
3,5
3,5
3,0
4,8
4,6
0,31
0,4
0,5
0,2
2
3,0
1,2
1пгг.
2-3
2-3
2-3
2-3
2-3
1,5
Анализ данных, представленных в табл. 12, показал, что произ­
водительность шлифования всеми алмазными шлифголовками в 4-5 раз
превосходит производительность абразивных головок. Получены наи­
лучшие показатели по удельному расходу алмазов у природных алмазов
АЗД и ч>упных полшфисталлов АРК-4 2000/1600 и АРС-3 1250/1000.
Сравнивая данные табл. 12, можно сделать вывод о том, что наиболее
рациональной является шлифголовка из АРК-4 2000/1600 с повышен­
ной износостойкостью матрицы. Для проверки этого положения был
изготовлен комплект шлифголоюк 111ГК-95 из алмазов АРК-4
2000/1600 на связке никель - диборид хрома с твердостью 30 HRCa. Ис-
37
пытаиия шлифголовок проведены при шлифовании мозаичных полов
М200 с заполнителем из мраморной 1фотки. Режимы шлифования со­
ответствовали приведенным ранее. Шлифование щюводили до вскры­
тия заполнителя пола (мраморной крошки). Снимали слой пола толпщной 4-5 мм. Стойкость комплекта шлифовальных головок П1ГК-95
2000/1600 до его полного износа составила 7000 м^, стойкость шлифо­
вальных кругов (шарошек) - 16 м^, шлифовальных сегментов 6С - 5 м^.
Несмотря на то, что пов^)хность, обработанная шлифголовками ШГК95 АРК-4 2000/1600, получается шероховатой и требует подшлифовки
шарошками или сегментами, общие затраты на инструмент (с учетом
подшлифовки) при расчете на один квадфатный метр обработанной поверхиост составляют 20 % от стоимости шаропюк или сегментов.
Опытные шлифголовки 111ГК-95 2000/1600 показали хорошую работо­
способность на самой тяжелой стадии шлифования полов - стадии
всфыгия фактуры заполнителя.
В настоящее время разработанная технология изготовления
шлифголовок 111ГК-95 под высоким давлением 1-1,5 ГПа с использова­
нием новой твердой металлокерамической связки и специального раз­
работанного припоя, внедрена в опытном производстве И Ф В Д РАН, на
заводе ЭМЗ в г. Лермонтов, Ставропольского края, ТЗАИ, Мое. обл.
Номенклатурный перечень выпускаемых на ЭМЗ шлифголовок ШГК95 представлен в приложении №2 диссертации.
Разработанная технология изготовления алмазного инструмен­
та широко применяется также и при изготовлении алмазного отрезного
и сверлильного инструмета. При изготовлении отрезного и сверлиль­
ного камнеразрушающего инструмента разработанные износостойкие
связки позволяют заменить дорогостоящие кобальтовые связки без
снижения стойкости и производительности инструмента.
Выводы.
1. Проведенный термодинамический анализ и эксперименталь­
ное исследование влияния высокого давления на температуру разу­
прочнения различных алмазных материалов позволили установить, что
повышение давления приводит к росту температуры ра^тфочнения ал­
мазов, особенно полюфисталлических, что связано с наличием в них
металлических щ>имесей.
2.Установленные термодинамически и экспериментально зако­
номерности позволили определить условия спекания различных алма­
зосодержащих материалов 1фи высоких давлениях и температурах с
учетом их термостойкости.
3. В результате проведенных исследований разработан класс
безвольфрамовых связок для изготовления алмазного камнеразрушаю38
щего инструмента в условиях высоких давлений, а также комплексный
метод оценки механических свойств и абразивной стойкости связок ал­
мазного инструмента, что позволило сформул1фовать требования к ним
при создании нового высокоэффективного алмазного инструмента с за­
данными х^)акгеристиками.
4. Разработана методика определения давления и проведено
изучение его распределения в КВД, 1фоведен расчет температурных
градиентов в реакционной зоне КВД. Это позволило определить опти­
мальные давления и температуры для изготовления алмазного инстру­
мента, позволяюпще со?фанять щючностные свойства алмазов АРК-4 и
получать матрицы алмазного инструмента с требуемыми свойствами.
5. Разработанная модель взаимодействия алмазного зерна со
связкой позволила рас1фыть механизм его захдюпления в матрице ал­
мазного инструмеига, который заключается в том, что применение вы­
соких давлений приводит iqwMC адгезионного захфепления алмазного
зерна и к дополнительному механическому его закреплению за счет вы­
сокого различия в значениях коэффициентов термического расширения
алмазного зерна и металлокерамической связки.
6. Для изготовления алмазного инструмента под высоким дав­
лением разработаны и изготовлены уникальные стальные КВД: много­
слойные - до 1,5 ГПа и с намоткой стальной ленты до - 2,5 ГПа, кото­
рые прошли экспериментальную проверку в опытном и серийном щюизводстве и показали высокие эксплуатационные характеристики.
7. На основании установленных закономерностей по влиянию
давления на свойства алмазов, разработанных связок и условий их спе­
кания создана технология серийного изготовления алмазного инстру­
мента при высоких давлениях с хфименением серийного прессового
оборудования, включающая в себя подготовку- шихтующих материалов,
сборку ячейки камеры высокого давления (КВД), спекание под давле­
нием, TpaHcnopmpoBig' К В Д к распрессовочному прессу, распрессовку
КВД, извлечение заготовок алмазного инструмента и их последующую
механическую обработку.
8. Разработан широкий класс алмазного бурового инструмента
для бурения горных пород VI-X категорий буримости и технологии для
его изготовления с применением высоких давлений. Промьппленные
испытания инструмента, изготовленного с АРК-4 и применением вы­
соких давлений, показали высокую эффективность применения алмазов
АРК-4 для бурового инструмента и его конкурентоспособность по все­
му комплексу характеристик с лучшими мировыми аналогами.
9. Разработанная модель взаимодействия алмазного зерна с
горньши породами позволила установить механизм разрушения горных
пород алмазньш инструментом, который заключается в том, что на пер­
вой стадии мелкие острые алмазы производят предварительное щюд39
разрушение горной породы и создают в ней зародышевые трещины,
дальнейшее разрушение породы осуществляется 1фупными и прочными
алмазами АРК-4. Это позволило разработать высокоэффективную бу­
ровую коронку с комбинированным применением 1фупных износо­
стойких АРК-4 и мелких алмазных шлифпорошков.
10. Разработаны конструкции и технологии изготовления шли­
фовальных головок Ш Г К из алмазов АРК-4 под высоким давлением.
Промьшшенные испытания показали их высокую эксплуатационную
эффективность, в том числе и на самой трудной стадии начальга)го
шлифования - вс1фьггии бетонных полов с твердым наполнителем.
11. Рафаботанные высокоэффективные, энергосберегающие и
экологически чистые технологии серийного изготовления при высоких
давлениях буровых коронок, шлифовального и отрезного алмазных ин­
струментов, с применением нового класса безвольфрамовых связок и
пршгаечных материалов, внедрены на ЭМЗ, г. Лермонтов; ТЗАИ, Мос­
ковской обл.; опытном заводе ВИТР, г. С-Петербург, опытном произ­
водстве ИФВД РАН.
12. В отчете о деятельности Российской Академии наук в 2002
году, в разделе важнейшие достижения Российской Академии наук, на­
стоящая работа признана завершенной и рекомендована к широкому
промышленному внедрению.
Основные результаты работы опубликованы :
1. А.С. № 650759. (СССР) Гфипой для пайки металлокерамической ашазоносной матрицы со стальным корпусом инструмента.
/Бугаков В.И., Довбня А.В., Коняев Ю С . 1979.
2. А.С. № 730473. (СССР) Способ изготовления сборного алмаз­
ного инструмента. /Довбня А.В., Коняев Ю . С , Орлов В.И., Бугаков
В.И. 1980.
3. А.С. № 667066. (СССР) Алмазный композиционный материал.
/Бугаков В.И.,Калашников Я. А., Коняев Ю.С, Свингицких В.Е. 2000.
4. Довбня А.В., Бугаков В.И., Коняев Ю.С. Импрегнированные
коронки для геологоразведочного бурения горных пород. //Алмазы и
сверхтвердые материалы. -1979. № 1. - С.5-6.
5. Довбня А.В., Коняев Ю.С, Бугаков В.И. Высокоэффективное
бурение горных пород высокой твердости коронками на основе АРК-4.
//Алмазы и сверхтвердые материалы. -1982. № 3. - С. 7-8.
6. Патент Р Ф № 853905.Припой для пайки алмазоносной матри­
цы со стальным корпусом инструмента. /Бугаков В.И., ДовбняА.В. 1993.
7. А С . № 984062. (СССР) Электронагреватель для камер высоко­
го давления и способ его изготовления./Довбня А.В., Бугаков В.И. 1982.
40
8. А.С. № 1167840. (СССР) Связка для изготовления абразивного
инструмента. /Бугаков В.И., Довбня А.В., Кривоспицкий В,М. и ;ф.
1999.
9. А.С. № 1379511. (СССР) Узел трения скольжеиня. /Довбня
А.В., Бугаков В.И., Яковлев Е.Н. и др. 1988.
10. А.С. № 1349103. (СССР) Камера высокого давления для горя­
чего квазигидростатического прессования изделий. /Довбня А.В., Буга­
ков В.И., Коняев Ю.С, Чопоров А.Я. 1999.
11. А. С. № 1600364. (СССР) Связка для изготовления алмазного
инструмента. /Бугаков В.И., Довбня А.В., Коняев Ю.С. 1999.
12. А.С. № 1707180. (СССР) Алмазная буровая коронка. /Орлов
В.И., Бугаков В.И., Довбня А.В. 1992.
13. А.С. № 1781412. (РФ) Алмазная буровая коронка. /Орлов
В.И., Бугаков В,И., Довбня А.В. 1994.
14. Патент Р Ф № 1192955. Способ изготовления алмазного ин­
струмента. /Бугаков В.И., Довбня А.В., Коняев Ю.С. 1985.
15.Патенг Р Ф № 2063842. Способ получения алмазосодержащих
элементов/ Бугаков В.И, Довбня А.В. 1996.
16. Бугаков В.И., Коняев Ю.С. Композиционный материал на ос­
нове алмаза и борокарбцца кобальта. //Ежегодник ИФВД. Сб. тр. 1995.ТЗ - С.85.
17. Бугаков В.И., Елютин А.В., Караваев К.М., Лаптев А.И., Полушин Н.И. Свойства связок алмазного камнеразрушающего инстру­
мента. //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. -1998. №4. - С. 54-57.
18. Бугаков В.И., Елютин А.В., Караваев К М . , Лаптев А.И., По­
душин Н.И. Новый тип связок на основе никеля, легированного диборидами титана и хрома, для алмазного камнеразрушающего инструмен­
та. //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. - 1998. №5. - С. 61-68.
19. Бугаков В.И., Коняев Ю.С. Высокоэффективный алмазный
инструмент, изготовленный по оригинальной технологии с применени­
ем высоких давлений и температур, новых связок и алмазных материа­
лов. //Сверхтвердые материалы. - 2001. № 6. - С. 23-27.
20. Бугаков В.И., Коняев Ю.С. Буровые коронки из синтетиче­
ских полшфисталлических алмазов для геологоразведочного бурения,
изготовленные по новой технологии с применением давлений до 1,5
ГПа. Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент техника и технология его изготовления и применения: Тез. докл. V ме­
ждународной конференции.- Киев, ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН У1фаины, 2002.№5. - С. 25-26.
21. Бугаков В.И., А. А Поздняков, М.Д. Шалимов и др. Влияние
исходной пористой структуры графитов на процесс 1фисталлнзации ал­
маза Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент 41
техника и технология его применения: Сб. науч. тр. /Киев, ИСМ,
2003.№6.- С. 185-188.
22. Бугаков В.И., Поздняков А.А., Лаптев А.И. Определение ве­
личины давления в объеме камеры типа "щишадр-поршень" до 1,5 ГПа.
Породоразрушаюпщй и металлообрабатывающий инструмент - техника
и технология его применения: Сб. науч. тр./Киев,ИСМ,2003.№6.-С. 152156.
23. Бугаков В.И., Елютин А.В., Лаптев А.И., Поздняков А.А.,
Полупшн Н.И. Разработка припоя для пайки алмазосодержащего слоя к
стальному корпусу при изготовлении алмазного породоразрушающего
инструмента. //Материаловедение. - 2003. № 12. - С.48-52
24. Бугаков В.И., Лаптев А.И., Поздняков А.А., Устинов И.В.
Метод определения давления и его рапфеделение в камере высокого
давления при изготовлении алмазосодержащих элементов. //Изв.
ВУЗов. Цвегаая мегаллургия. - 2004. № 2. - С. 73-75.
25. Kaloshkin S.D., Tcherdyntsev V.V., Laptev A.I., Afonina E.A,
Pomadchik A.I., Bugakov V.I. "Structure and Mechanical Properties of Me­
chanically Alloyed Al/ Al-Cu-Fe Composites" //4"" bitemationally Confer­
ence on Mechnochemistry and Mechanical Alloying, Braunscweig, Germany
Sept. 7-11,2003. Abstracts. P.96.
26. Бугаков В.И., Лаптев А.И., Полупшн Н.И., Бочаров М.В., Со­
рокин М.Н. Методика оценки износостойкости связок алмазного инст­
румента. //Материаловедение. - 2004. № 2. - С. 24-28.
27. Бугаков В.И., Шалимов М.Д, Поздняков А.А., Давыдов В.В.
Синтез алмаза из пиролитического графита вблизи линии равновесия
графит-алмаз. Породоразрушаюпщй инструмент из сверхтвердых мат^>иалов и технологии его применения: Сб. науч. тр. //Киев, ИСМ им .
В.Н. Ба1дгля,ИПЦ, АЛКОН НАНУ, 2004.№7.- С.128-132.
28. Бугаков В.И., Шалимов М.Д., Поздняков А.А., Давыдов В.В.
Использование диоксида циркония в камере высокого давления. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых макриялав и техноло­
гии его 1фименения. Си. науч. тр.// Киев, ИСМим. В.Н. Ъякуля, ИПЦ,
АЛКОН НАНУ, 2005.№8.-С. 142-144.
29. Бугаков В.И., Ермолаев А.А., Лаптев А . И Методика опре­
деления термостойкости алмазных порошков под давлением. // Мате­
риаловедение.- 2005. №9.-С. 12-15.
30. Бугаков В.И. Влияние нагрева под давлением на прочность
алмазных порошков. Породоразрушаюпщй инструмент из сверхтвер­
дых материалов и технологии его применения. Сб. науч. тр.// Киев,
ИСМ им. В.Н. Ба^ля, ИПЦ, АЛКОН НАНУ, 2005.№8.-С. 145-148
31. Бугаков В.И. Термостойкость ал»1азных материалов. //Изв.
ВУЗов. Цветная металлургия.- 2005. №5.
42
ИГК Т7 101
КГК ТР 101
Заказ № 1077
Тираж: 100 экз.
ООО «11-й ФОРМАТ»
ИНН 7726330900.
Приюто к исп. 28.09.2005
ист. 29.09.2005
8 7 88
РНБ Русский фонд
КСИ NO
*
«у
* ^а f-/
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
2 065 Кб
Теги
bd000101052
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа