автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение ресурса алмазных инструментов на металлической связке ионно-плазменной металлизацией алмазного сырья

На правах рукописи

Беров Закир Жамалович

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА АЛМАЗНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СВЯЗКЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ АЛМАЗНОГО СЫРЬЯ

Специальность: 05.03.01 - Процессы механической и фтнко-технической

обработки, станки и ннефумент

А В Т О Р Е Ф Е Р А "Г диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических паук-

Москва 19<)8

Работа выполнена в Кабардино-Балкарском государственном

университете им.Х.М.Бербекова (КБГУ).

Научный руководитель кандидат технических наук,

доцент М. М. Яхуглов Научный консультант доктор технических наук,

профессор Б. С.Карамурзов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В. А. Грсчшшшкоп

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ю. В. Полоскип

Ведущее предприятие - АО ''ТЕРЕКАЛМАЗ"

Защита состоится -¿У лм/ 1998 г. в час—' мин на заседании диссертационного совета К.063.42.05 в Московском государственном технологическом университете "Станкин" по адресу: 101472, Москва, Вадковскин пер., д. За

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТТУ "Станкин" Автореферат разослан "

1998 г

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

Ученый секретарь диссертационного совета, к. т. н., доцент Поляков Ю. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Широкое применение, а во многих случаях и незаменимость алмазного инструмента в машиностроении, строительной индустрии и при бурении геологоразведочных скважин определяют актуальное! ь проблемы повышения работоспособности алмазного инструмента. К основным факторам, определяющим работоспособность инструмента, относятся качество алмазного сырья, физико-механические свойства связки и их соотношение со свойствами алмазов и обрабатываемого материала, конструктивные параметры инструмента, технология изготовления инстру-мен та и режим его эксплуатации.

Одной из наиболее сложных задач в создании алмазного инструмента является обеспечение надежного закрепления алмаза в матрице инструмента, что связано с малыми размерами и неправильной геометрической формой технических алмазов, а также плохой смачиваемостью их поверхности расплавами металлов.

связи с изложенным повышение ресурса алмазных ин-ар\ментом на металлической связке путем увеличения надежности крепления зерна в инструменте и роста прочностных свойств алмазов на основе разработки методов и технологии металлизации зерна являются актуальной научно-технической проблемой.

Цель р_аботьь Повышение ресурса алмазных инструментов на металлической связке на основе разработки составов покрытия, оборудования и технологии для металлизации алмазного сырья.

Пауч н а ю в из 1 ш {к^оты^зак л,гач ается_в:

- взаимосвязях составов, параметров и условий получения покрытий ионно-нлазмешгой металлизацией с качеством алмазного сырья и технологией изготовления инструмента;

- опенке надежности удержания зерна в связке, на основе цпк. шческо] о характера изменения нагрузки.

Пракшческая полезность заключае тся в разработке:

- техно.ю! ип металлизации алмазов и оригинальных копир) кций оборудования для ее реализации;

- методики определения прочности удержания черна в матрице инструмента и установки для ее реализации;

- установки для определения статической прочности алмазов.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в АО "Терекалмаз" (г. Терек) и. Научно-исследовательском институте методики и техники разведки (г. Санкт-Петербург) при разработке и изготовлении правящего и породоразрушагощего аи-мазного инструмента.

Апробация и публикация работы.

Работа полностью доложена и обсуждена на научном семинаре кафедры "Экспериментальная физика" КБГУ. на заседаниях кафедр "Технология автоматизированного производства" КБГУ и "Технология формообразующей обработки" МГТУ "СТАНКИН".

Основные научные и практические результаты работы докладывались на республиканских научно-технических конференциях: по проблемам, машиностроения (Нальчик, 1976, 1978, 1980.

1982, 1984, 1086, 1987, 1997 г.г.); "Методологические, теоретические и прикладные проблемы машиностроения" и "Проблемы создания и эксплуатации гибких производственных систем" (Саранск,

1983, 1985), Всероссийской научной конференции "'Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергии с твердыми телами": (Нальчик, 1995 г.).

Результаты,исследований опубликованы в 39 работах, к т.ч. монографии, в 12 статьях в научно-технических журналах и сборниках, защищены 2 авторскими свидетельствами и патентом Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Работа сос тоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 261 наименования, содержит 178 страниц машинописного текста, 38 рисунков. 14 таблиц и приложения. •

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ методов повышения работоспособности алмазного инструмента, методик оценки прочностных свойств алмазов и прочности алмазоудержания. а также методов и оборудования для металлизации порошков.

________ ...Анализ показал, что известные методики испытания алмазов

при воздействии динамических-"нагрузок -и- определения прочности алмаюудержания не учитывают циклический характер действия силовых факторов на инструмент в процессе эксплуатации. При определении статической прочности алмазов па существующих установках возникают значительные локальные концентрации напряжений в кристаллах. что приводит к существенному влиянию на результаты испытании вариации геометрии зерен.

Одним из эффективных методов повышения работоспособности алмазных инструментов является нанесение металлических покрьиий на алмазы. В результате металлизации повышаются прочность зерен, их смачиваемость расплавом металла при пропитке инструмента. следовательно, и прочность алмазоудержания в матрице. В ю же время, металлизация алмазов не находит промышленного применения для инструментов на связке из тугоплавких металлов, изготавливаемых методом порошковой металлургии. Особенностью технологии изготовления этих инструментов является высокотемпературный режим пропитки и спекания алмазоносной части, который существенно влияет на происходящие в ней физико-химические процессы п. соответственно, на ее структуру и свойства. Эта особенность определяет- доски очно жесткие требования к основным параметрам технологии металлизации: температурному режим}', материалу покрытия и его тлншне. И; существующих методов мсгахчизации алмазов наиболее перспективным для указанной группы инструментов является ионно-плазменная металлизация, позволяющая в широком диапазоне температур процесса наносить практически любые материалы, в т.ч. адгезионно-активные к алмазу тугоплавкие металлы.

В соответствии с поставленной целью и с учетом проведенною анализа г, работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Определение оптимального температурного режима процесса металлизации.

2. Выбор материала покрытия на алмазные зерна и оптимизация С1 о толщины.

3. Разрабои-са оборудования для ионно-плазменпоп металли-;ацш1 а. [мазного сырья.

4. Разработка методики и оборудования для оценки прочност-. ных свойств алмазов и прочности удержания алмазов в

матрице инструмента.

5. Исследование влияния ионно-плазменной металлизации на прочностные свойства алмазов и ресурс алмазного инструмента.

Вторая глава посвящена определению основных параметров технологии металлизации алмазного сырья, определяющих влияние покрытия на прочностные свойства алмаза и условия формирования околозеренной части матрицы: температурного режима металлизации, выбору материала покрытия и его толщины.

Исследовано влияние диффузионно-вакуумного хромирования в реакционной печи при 1233 К и термообработки 1! режиме изготовления инструмента на прочностные свойства кристаллов. Эксперименты показали (табл. 1), что диффузионно-вакуумное хромирование вызывает снижение статической прочности алмазов. Эта тенденция сохраняется и в процессе изготовления инструмента. Причем эффект разупрочнения более выражен у алмазов пониженного качества.

Таблица !

Влияние диффизионно-вакуумного хромирования и режимов термообработки на прочность алмазов

Характеристика алмазного сырья Вид обработки Среднее усилие разрушения Н/зерно

XV гр., подгр. "а-Г', тип 1, зернистость 20-30 шт/карат. Целые кристаллы с небольшими дефектами. В исх. состоянии 1392,6

Металлизиров. 1290,7

Термообработ. 1011.4

Металлиз.+Термообр. 1111.3

XVI гр., подгр. "а-2", тип 1, зернистость 10-20 шт/карат. Пониженного качества с большими дефектами. В исх. состоянии 1045.7

Металлизиров. 999,6

Термообработ. 1039.8

Мегаллиз ,+Тер ыообр. 944.7

Исследовано также влияние режимов изготовления инстру-______

мента на прочность овадизованных поликристалличееких синтетических алмазов марки ЛРСЗ, зернистостью 2000/1800, металлизированных при температуре 1073 К путем конденсации покрытия из плазменной фазы. Статическая прочность металлизированных алмазов. рекуперированных из инструмента, снизилась на 27,8% (с 1054,6 до 761,3 Н), тогда как снижение прочности аналогичных алмазов без покрытия составляет 11,5%.

11олученные результаты можно объяснить тем, что при высокотемпературной металлизации повышенная химическая активность поверхности алмаза на дефектных участках усиливает степень реакционного взаимодействия осаждаемого покрытия и алмаза. Повышение интенсивности диффузии атомов углерода из алмаза в растущую карбидную пленку резко увеличивает число вакансий в кристалле, слияние которых вызывает появление дополнительных дефектов. Высокотемпературный режим изготовления инструмента возобновляет разрушающее воздействие карбидной фазы на алмаз.

Анализ микрошлифов прямого и косого среза алмазов XVI 1 руины, подгруппы "а-4'\ типа 2, зернистостью 0,1-0,2 карат/шт, формы треугольной призмы после диффузионно-вакуумного хромирования показали, что алмаз и карбидный слой разделены резкими зубчатыми границами. Об отсутствии прочной связи покрытия с поверхностью алмаза свидетельствуют и результаты скрайбирования металлизированной поверхности индентором 11МГ-3. При нагрузке 0.5 Н и более наблюдается хрупкое отслаивание. После снятия покрытия на поверхности алмаза профилограф-профилометром зафиксировано появление микронеровностей с высотой от 0,8 до 1,5 мкм.

О низкой прочности алмазно-металлического контакта после диффузионно-вакуумного хромирования свидетельствуют результаты испытаний однокристальных правящих карандашей, оснащенных алмазами XV гр„ подгр. '"а-Г', тип 1, зернистостью 20-30 шт/карат. Средний объем остатка металлизированного зерна, который выпадал из связки при правке круга ПП600х63х305 25А50НСТ2К5, составил 15%, а неметаплизировапного - 11,5%.

Анализ полученных результатов показал, что высокотемпературная металлизация, сопровождающаяся реакционным взаимодействием формирующегося покрытия с алмазом, не повышает работоспособность рассматриваемого класса инструментов. Поэтому верхний предел температуры металлизации следует ограничить температурой начала химического взаимодействия материала покрытия с алмазом. Взаимодействие должно носить хемосорбци-онный характер, когда соединение на атомарном уровне осуществляется посредством активных центров полярных групп формирующегося покрытия и поверхности алмаза. Следовательно, нижний предел температуры металлизации целесообразно ограничить температурой максимума десорбции с поверхности алмаза адсорбированного слоя.

Методом термопрограммированной десорбции исследован состав поверхностного слоя природных алмазов различного качества. а также поликристалл ичсских синтетических алмазов марки АРСЗ до и после химической очистки. Установлено, что качественный состав адсорбированного слоя на поверхности природных алмазов различного качества до химической очистки идентичен и включает }Ь; Н:0; СО; С02; С,Н,; С3Н5 (рис. 1а). Состав поверхност и синтетических алмазов отличается отсутствием жировых соединений типа С3М.1; С3Н5. После химической очистки на поверхности алмазов адсорбируются из атмосферы в. 'основ-

/

100

50

50

Н

Я,

нр

ОН

со

ыт_

18 28 44 а

нр

от

18 28 44 М

Рис. 1. Спектрограммы частиц, де-сорбированных с поверхности алмазов XV гр„ подгр. "а-1", типа 1, зернистостью 50-30 игг/кар.

ном пары воды и оксид углерода (рис. 16). Исследование кинетики их десорбции с поверхности алмаза" показало;что химическая очистка снижает температуру максимума десорбции с 800-850 К до 500-600 К (рис. 2, 3).

I

373 573 773 Т. К Рис. 2. Кинетика десорбции Н20 с поверхности поликристаллических синтетических алмазов марки АРС 3: 1 - до химической очистки; 2 - после химической очистки. Скорость нафева 260 гр./мии.

373 573 773 Т. К

Рис. 3. Кинетика десорбции СО с поверхности природных

алмазов XV группы, пoдq•>yп-пы "а-5", типа 4: 1 - до химической очистки; 2 - после химической очистки. Скорость нагрева 260 гр./мин.

При пропитке расплавом меди алмазоносной части инструмента из порошков карбида вольфрама и кобальта, в результате растворения поверхности алмаза, происходит выделение в околозеренной части связки мелкодисперсного графита. Наличие в спеченных твердых сплавах свободного углерода (графита) существенно снижает их прочностные характеристики. Для сохранения способности прикон-тактпой зоны матрицы с алмазным зерном противостоять усталостному разрушению при эксплуатации инструмента следует исключить возможное! 1, обогащения ее графитом.

Процесс графитизации алмаза происходит наиболее интенсивно на его дефектных участках и сопровождается увеличением размеров микротрещин и появлением новых дефектностей. Поэтому химическая активность материала покрытия должна обеспечить ему возможность проникновения в поры и трещины с одновремен-

ным вступлением во взаимодействие с углеродом при температурах начала графитизации алмаза.

Данным требованиям из карбидообразующих тугоплавких металлов в наибольшей степени отвечает титан, который начинает химическое взаимодействие с алмазом при температуре порядка 973 К. что находится в области начала графитизации технических алмазов. Однако титан является катализатором фазового превращения алмаза в графит при высоких температурах, поэтому толщина титанового покрытия должна определяться из условия его достаточности для прохождения в дефектные повреждения кристалла и химического взаимодействия с графитизирующейся частью алмаза.

Предлагаемое обоснование температурного режима металлизации и материала покрытия защищены патентом РФ (№2090648).

Для предохранения титанового покрытия от окисления целесообразно нанесение второго слоя из никеля или меди.

Методом активного эксперимента исследовано влияние толщин титанового и никелевого покрытий на прочность алмазоудер-жания. Интервалы варьирования толщин определялись исходя из собственного экспериментального опыта и литературных данных и составляли титана 0,1-0,7 мкм; никеля 0,1-0,3 мкм.

Существенное влияние содержания титана на прочность алмазно-металлического контакта позволяет предположить наличие кривизны поверхности отклика. Поэтому для проведения эксперимента был принят ортогональный центральный композиционный план второго порядка. С учетом того, что алмазоудержание в значительной степени определяется усталостным разрушением матрицы на границе с алмазом, предложена методика оценки прочности алмазоудержания по числу циклов нагружения до выпадения кристалла из матрицы при гармоническом силовом воздействии.

Эксперименты проводились на образцах (рис. 4). полученных по технологии изготовления коронок, состоящих из металлизированных поликристаллических спеков 2. марки СВС-Г1 конической формы, размещенных в матрице 1 из связки М50. Испытания проводились при воздействии циклических нагрузок, близких к синусоидальным, с частотой 5 Гц при среднем усилии нагружения 50 Н и амплитуде циклической составляющей, равной 20 Н.

В качестве критерия оптимизации У _было принято число

циклов нагружения до выпадения спека из матрицы.

Полученное уравнише регрессии в натуральных переменных

имеет вид

У = 280900 + 119200Д7; + 3273ЛУ, - 223500Д7;2 -10080АЛ^,2.

Поверхность критерия оптимизации (отклика) представляет эллиптический параболоид. На рис. 5 приведена карта линий равного уровня критерия оптимизации. Критерий чувствителен к толщине титана (ДТ,) и малочувствителен к толщине никеля (ДЭД). Максимальное значение критерия, равное 297109 циклов, соответствует Д'Г, = 0,265 мкм и ДК = 0,162 мкм. При этом и по ДТ, максимум ■•размыт " в примерном диапазоне толщин от 0,23 до 0,33 мкм. Увеличение толщины титановой пленки более 0,4 мкм ведет к выраженному снижению значения критерия.

Третья глава посвящена разработке методики и оборудования для оценки прочностных свойств алмазов и оборудования для металлизации алмазных порошков.

1

2

Создана автоматизированная установка для испытания алмазных зерен на статическую прочность при одноосном сжатии черен, в которой крепление одной из твердосплавных пластин нарушающего устройства осуществляется через шарнирно-подвижную систему. Это обеспечивает возможность адаптации пластин к расположению граней испытываемого зерна, снижает возможность локальной концентрации напряжений и. соответственно, уменьшает дисперсию результатов измерений из-за вариации геометрии кристаллов.

Силовая система установки на базе гидравлического пресса с приводом от пневмогидравлического преобразователя обеспечивает бесступенчатое регулирование усилия нагружения в диапазоне до 6 кН.

Измерительная система, выполненная с использованием дифференциального индуктивного датчика, обеспечивает регистрацию текущего значения усилия нагружения и фиксацию его значения в момент, предшествующий разрушению кристалла. Предусмотрена возможность ввода результатов измерений в ЭВМ.

Предложена методика оценки усталостной повреждаемости алмазов по снижению статической прочности кристаллов после заданного числа циклов воздействия асимметричной сжимающей нагрузки, изменяющейся по гармоническому закону. Для реализации предложенной методики создана установка, позволяющая производить циклическое нагружение образца по закону, близкому к синусоидальному. Электромеханический привод системы нагружения обеспечивает бесступенчатое изменение частоты в диапазоне до 25 Гц и амплитуды усилия - до 1,5 кН. Динамика нагружения фиксируется при помощи тензодатчиков, а система управления обеспечивает автоматическое отключение устройства после разрушения образца или выполнения заданного числа циклов нагружения.

Создана установка для ионно-плазменной металлизации алмазов с трйодной системой распыления материала покрытия. Установка позволяет совместить в одном цикле без разгерметизации очистку поверхности кристалла алмаза ионным травлением с процессом металлизации.' Де'ржатель-перемешиватель с виброприводом обеспечивает перемешивание и подачу' порошка в зону распыления в состоянии псевдокипения.

Создана также установка для ионно-плазменной металлизации алмазных порошков с магнетронными р^спьшитёлышмГГ устройствами. Эти устройства, благодаря локализации разрядной плазмы в прикатодной области, обеспечивают высокую скорость осаждения покрытия и позволяют снизить на порядок рабочее давление в камере, что резко уменьшает загрязнение наносимых пленок посторонними газовыми включениями. Установка обеспечивает нанесение двухслойных покрытий. Для повышения точности дозированной подачи алмазного сырья в держатель-иеремешиватель использовано магазинное устройство загрузки порошка. Удаление адсорбированного слоя с поверхности алмазов осуществляется нагревом, что эффективнее ионного травления при обработке алмазов с развитой системой дефектностей. Для исключения возможности образования облака алмазной пыли при обработке микропорошков в установке, предусмотрена возможность использования держателя-перемешивателя, обеспечивающего перемешивание порошка'за счет перекатывания частиц по поверхности.

Разработанные конструкции установок для ионно-плазменной металлизации защищены двумя авторскими свидетельствами.

В четвертой главе приводятся результаты исследований влияния ионно-плазменной металлизации по разработанной технологии на прочностные свойства алмазов и работоспособность инструмента.

Проведено исследование влияния металлизации и технологических факторов изготовления инструмента на статическую прочность природных и поликристаллических синтетических алмазов. Были определены показатели статической прочности металлизированных и неметаллизированных алмазов в исходном Состоянии. после термообработки в режиме пропитки и спекания алмазоносной части инструмента и алмазов, рекуперированных из инструмента (табл. 2).

Таблица 2

Влияние металлизации на изменение прочностных характеристик алмазов при изготовлении инструмента

Алмазное сырье Среднее усилие разрушения 1

и среднеквадратичное отклонение о (Н)

Характери- в исходном термообрабо- рекупериро-

Состояние стика состоянии тапиые ванные

Р а Р а Р 0

Природные алмазы XV гр.. неметашш-зированные 290,9 146,2 302,7 151,8 298,8 167.4

подгр. "а-5",

типа 4, зернист. 60-90 шт/карат металлизированные 306,2 133,9 319,6 128.6 315,7 136,5

Поликристаллические син- неметалли-зированные 836,6 360,6 742,9 331,2 666,7 327.9

тетические

алмазы АРС 3, металлизи-

зернист. 2000/1600 рованные 869.2 392,3 945.4 267,7 905.5 272,3

Анализ показал, что процесс металлизации не оказывает существенного влияния на статическую прочность алмазов. Наблюдается повышение прочности металлизированных алмазов при изготовлении инструмента. Так, испытания рекуперированных алмазов показали, что прочность металлизированных алмазов выше прочности неметаллизированных: природных на - 6%. а синтетических - на 35%. Эти результаты подтвердились и при испытаниях термообработанных в режиме изготовления инструмента алмазов. Установлено также, что металлизация способствует повышению равнопрочное™ алмазных зерен.

Изучено влияние ионно-плазменной металлизации на уста-юстную повреждаемость природных алмазов XVI группьг, подгруппы "а-Г. гип !. зернистости 0,05-0.10 кар/пп. По технологии производства инструмента были изготовлены алмазосодержащие брикеты на основе связки М50. Затем методом химической рекуперации алмазные зерна были извлечены из брикетов и подвергались циклическому на-1ружению с час тотой 10 Гц при среднем усилии нагружения 250 Н и амплитуде циклической составляющей, равной 200 Н. Среднестатиче-ская прочность исходных алмазов составила 1422 Н/зерно, а после 104 циклов нагружения прочность немегаллизированных кристаллов составила 1157 Н/зерно, металлизированных - 1325 Н/зерно, т. е. снизилась соответственно на 18% и 7%.

Проведены сравнительные испытания стойкости однокристальных карандашей, оснащенных металлизированными и неме-таллизированными поликристаллическими синтетическими алмазами марки ЛРСЗ, зернистости 2000/1600 при правке абразивных кругов ПГ1600х63х305 14А25ПСТ16К5. В качестве критерия стойкое! и карандашей использовали удельную производительность. Эксперименты показали, что средняя удельная производительность карандашей, оснащенных металлизированными алмазами, составила 14.8 см3/мг, в то время как серийных - 9,2 см3/мг. Также отмечено, что пометалзнзированпые алмазы теряли работоспособность после износа 70-75% своего первоначального объема, а поликристаллы с покрытием работали до износа 85-90% объема.

Проведены сравнительные производственные и государ-с/цепные приемочные испытания алмазных коронок - серийных и опыт ных, - оснащенных природными и синтетическими алмазами, металлизированными по разработанной технологии. Испытания проводились в условиях пяти производственных геологических обьединений (ИГО): '"Севзапгеология" (Мурманская область), "Певскгсология" (Карелия). "Кировгеология", "Западкварцсамо-цвегы" (Украина) и "Севказгеология" (Казахстан) при бурении плановых геологоразведочных скважин путем порейсового чередования серийных и опытных коронок.

На производственных испытаниях в условиях ПГО "Кировгеология" отработано 40 опытных и 40 серийных импре-гнированных буровых коронок типа 02ИЗД-59. Объемный слой коронок был армирован алмазами XV группы, подгруппы "а-5". тип 4, зернистостью 400-200 шт/кар., а подрезной слой - овализо-ванными природными алмазами XV группы, подгруппы "6-1", тип 4, зернистостью 50-30 шт/кар. Испытания показали преимущество опытных перед серийными по ресурсу на 16%, по удельному расходу алмазов (снижение) - на 13%. В условиях ПГО "Севказгеология" отработано 20 опытных, и 20 серийных буровых коронок типа 01А4-59, оснащенных природными алмазами различного качества. На коронках, оснащенных алмазами XV группы, подгруппы "а-5", опытные показали преимущество по ресурсу на 34,5%, по удельному расходу алмазов - на 19,5%. Коронки, оснащенные металлизированными алмазами XV группы, подгруппы "а-1", тип 1 показали преимущество по ресурсу на 21,4%, по удельному расходу алмазов - на 19,8%.

На государственных приемочных испытаниях исследовалась работоспособность однослойных и импрегнированных буровых коронок, оснащенных природными алмазами различного качества. Всего было испытано 538 коронок, в том числе 285 - опытных. Полученные результаты подтвердили преимущество коронок с металлизированными алмазами. В частности, в условиях ПГО "Севзапгеология" использование металлизированных алмазов в коронках типа 01АЗД-59 увеличило ресурс инструмента на 61% и снизило удельный расход алмазов на 37,2%. Исследования работоспособности однослойных коронок показали, что больший эффект от ионно-плазменной металлизации достигается на коронках, оснащенных алмазами более низкого качества.

Испытания импрегнированных буровых коронок типа 02ИЗГ-59 также показали (табл. 3), что эффективность металлизации зависит от качества алмазного сырья и средневзвешенной категории пород по буримости р.

Таблица 3

Рост показателей бурения (%) опытных коронок в различных районах (02ИЗГМД - объемш.ш слой оснащен алмазами XV гр„ подгр. "а-5", типа 4; 02ИЗГМТ - объемный слой оснащен алмазами XV тр., подгр. иа-2", типа 1)

1 !оказатель "Севзагттеология". "Кпровгеологпя", "Западкварп-

оурения Р= 8,5 Р=9,5 самоцветы", р=Ю

02ИЗГМД 02ИЗГМТ 02ИЗГМД 02ИЗГМТ 02ИЗГМД 02ИЗГМТ

11олный

средний 66,4 10,5 14,1 7,5 15,9 13,3

ресурс,м

Удельный

расход ал- 40,3 9,4 12,3 7,8 13,7 12,6

мазов, кар/м

Механиче-

ская ско- 57,8 1.1 - - 11,1 1,7

рость буро-

П11Я. м/ч

В условиях Г1ГО "Невскгеология''' проведены испытания 5 серийных и 5 опытных однослойных буровых коронок 01АЗСВ-79, оснащенных поликристаллическими синтетическими алмазами. Испытания показали, что металлизация повысила ресурс коронок на 79%. механическую скорость бурения - на 43% и снизила удельный расход алмаза - на 44%.

По результатам испытаний Государственной приемочной комиссией рекомендовано поставить на серийное производство однослойные и импрегнированные буровые короли! чет ырех типов с ти-тано-никелевым покрытием алмазов, нанесенным по разработанной технологии, и отнести их к высшей категории качества по Единой системе аттестации качества продукции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Определен оптимальный температурный режим процесса металлизации алмазов. Показано, что процесс нанесения покрытий на природные алмазы с развитой системой дефектностей и синт етические поликристаллические алмазы целесообразно осуществлять в интервале температур, верхний предел которых ограничен температурой начала химического взаимодействия материала покрытия с алмазом, а нижний - температурой, обеспечивающей наибольшую термодесорбцию адсорбированных на поверхности зерен загрязнений.

2. Обоснован выбор материала покрытия. Показано, что обогащение углеродом приконтактной области матрицы с зерном из-за графитизации алмаза в процессе изготовления инструмента существенно влияет на алмазоудержание. Поэтому материал покрытия должен обладать химической активностью к углероду, обеспечивающей его прохождение в поры и микротрещины алмаза при нанесении покрытия и изготовлении инструмента, а также вступление материала покрытия в химическое взаимодействие с углеродом при температурах, вызывающих графитизацию алмаза.

Предлагаемое обоснование выбора температурного режима металлизации и материала покрытия защищено патентом РФ (№2090648).

3. Разработаны методики:

- оценки усталостной повреждаемости алмазов но снижению их статической прочности после заданного числа циклов воздействия асимметричной сжимающей нагрузки:

— определения прочности алмазоудержания. учитывающая усталостную прочность приконтактиой зоны связки с алмазом.

Разработана установка, реализующая предложенные мет одики.

4. Разработана установка для определения статической прочности алмазов, обеспечивающая адаптацию нагружающего устройства к расположению граней испытываемого зерна, что

снижае т дисперсию результатов измерений из-за вариации геометрических параметров частиц.

5. Показано, что толщина покрытия существенно влияет на ресурс инструмента. Проведенные экспериментальные исследования с использованием методики планирования позволили определить, что максимальная прочность удержания зерен в матрице инструмента обеспечивается при толщинах титанового покрытия 0.27 мкм, никелевого покрытия - 0.16 мкм.

6. Разработаны оригинальные конструкции оборудования (А.с. Л~!}1181332, А.с. №1549100), реализующие очистку в вакууме и нанесение двухслойных покрытий на алмазные порошки и микропорошки с использованием триодной и магнетронной систем распыления металла.

7. Экспериментально установлено, что ионно-плазменная металлизация существенно не влияет на статическую прочность алмазов. Показано, что статическая прочность металлизированных природных алмазов после изготовления инструмента превышает прочность пемегаллизировапных примерно на 6 %, а синтетических - на 35%. При ном повышается равнопрочность и снижается \ с ниюст пая повреждаемость алмазов.

8. Испытания алмазных правящих карандашей, оснащенных поликристалличсскими синтетическими алмазами марки АРС 3 показали. что ионно-плазменная металлизация увеличивает удельную производительность инструмента на 38%.

9. Проведены сравнительные производственные и государственные приемочные испытания алмазных буровых коронок - серийных и опытных-, оснащенных природными и синтетическими алмазами. металлизированными по разработанной технологии. Испытания 668 однослойных и импрегнированных коронок, в т. ч. 350 опытных, в \словия.\ пяш различных геологических районов показали, что опытные коронки имеют преимущество перед серийными по основным показа 1елям работоспособности в зависимости от качества алмазов и условий испытаний по ресурсу - до 60%; по удельному расходу алма-

зов - до 40%. При этом больший эффект от металлизации достигается при использовании алмазного сырья низкого качества.

По результатам испытаний Государственной приемочной комиссией рекомендовано поставить на серийное производство однослойные и импрегнированные буровые коронки четырех типов с алмазами, металлизированными по разработанной технологии, и отнести их к высшей категории качества по Единой системе аттестации качества продукции.

Содержание работы изложено в следующих основных публикациях:

1. Металлизация природного алмаза катодным распылением. // Алмазы и сверхтвердые материалы.-1976.-№10.-С. 10-12 (в соавт.)

2. Влияние металлизации на стойкость алмазного карандаша И Алмазы и сверхтвердые материалы.-1977.-№1.-С.9-11 (в соавт.).

3. Исследование повреждаемости алмаза при циклическом на-груженш // Алмазы и сверхтвердые материалы.-1979.-№11,-С.4-6 (в соавт.).

4. Классификация методов металлизации алмазных порошковых материалов и анализ адгезионных свойств полученных покрытий // В сб. Опыт и пути совершенствования техноло-

.. гии и оборудования в машиностроении. Нальчик: КБГУ, 1986. С.74-76.

5. Методы контроля качества металлизированных алмазов // Тезисы докл. 15 республ. научно-техн. конф. по проблемам строительства и машиностроения. Нальчик: КБГУ, 1988. С.109-110.

6. Низкотемпературная металлизация природных алмазов как средство повышения качества импрегнированных буровых коронок // В сб. Повышение качества и надежности геологоразведочной техники.- Л.:ВИТР, 1987.-С.83-87 (в соавг.).

7. Металлизация алмазов для буровых коронок. М.: ВНЭМС. 1989 -27 с. (в соавт.).

Буровые коронки с металлизированными алмазами // Разведка и охран^недрТ-1990.-№8-С.Т8-20 (в соавт.).------------------------ —

с). Влияние металлизации алмазов в скрещенных электрическом и магнитном полях на работоспособность буровых коронок // Сверхтвердые материалы.-1993.~№1.-С.36-40 (в соавт.).

10.Исследование влияния качества алмазного сырья на эффективность использования металлизированных алмазов. // Сверхтвердые материалы,-1995.-№5.-С. 39-45 (в соавт.).

1 1.Методика определения прочности алмазно-металлического конт ак та в матрице инструмента // В сб. Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергий с твердыми телами. Тезисы докладов Всероссийской научной конференции. -Нальчик: КБГУ.-1995.-С.185-186 (в соавт.). 12.А. с. 1 181332 СССР, МКИ С23 С 14/50, 1985. Устройство для нанесения покрытия на порошковые материалы (в соав-шрепк).

1 i.A. с. 1549100 СССР, МКИ С23 С 14/24. 1989. Устройство для нанесения покрытий на порошковые материалы в вакууме (в соавт.).

14.Патент РФ № 2090648 ' ' МКИ С23С 14/18, 1997. Способ нанесения покрытия на алмазы (в соавт.).