автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Процессы и технологии получения высокоэффективного алмазного инструмента при высоких давлениях и температурах с применением новых алмазных материалов и порошковых композиций

На правах рукописи

Бугаков Василий Иванович

ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОГО АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА

ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ НОВЫХ АЛМАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Институте физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук и в ГОУ ВПО «Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет)»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ножкина Алла Викторовна

доктор химических наук Спицын Борис Владимирович

доктор технических наук Золкин Петр Иванович

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 ГОУ 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 « /О » октября 2005 г.

Ученый секретарь л \ /

диссертационного совета Т. А. Лобова

lOQ^t ¡9989

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Алмазный камнеразрушающий инструмент широко применяется в геологии, в горнорудной и строительной промышленности. Как правило, такой алмазный инструмент работает при высоких механических нагрузках и состоит из стального корпуса и алмазосодержащего слоя, который можно рассматривать как композиционный материал, где одним из компонентов является прочная металлическая матрица (связка), а другим - износостойкие зерна алмаза, равномерно распределенные в ней. Несмотря на то, что конструктивные особенности и режимы эксплуатации данных видов инструмента различны, основные требования, предъявляемые к ним, идентичны: прочное закрепление алмазных зерен в связке и надежное прикрепление алмазосодержащего слоя к стальному корпусу. Проблемы в изготовлении и применении алмазного инструмента связаны, главным образом, с повышением его технологической и экономической эффективности. Традиционным методом изготовления бурового и камнеобрабатывающего инструментов с природными алмазами является метод инфильтрации прессовок из алмазов и порошков твердых сплавов медью или сплавами на ее основе при температурах более 1000 °С в восстановительной (нейтральной) атмосфере или вакууме. Разработка и освоение промышленностью технологий изготовления синтетических алмазных монокристаллов и поликристаллических алмазных материалов предъявляют новые требования к технологии изготовления инструмента. Одно из главных требований - это снижение температуры изготовления инструмента, поскольку термостойкость синтетических алмазов составляет величину порядка 700-950 °С. Для уменьшения температуры изготовления инструмента без снижения прочностных свойств связки применяются прогрессивные методы порошковой металлургии и новые материалы. Особенно остро проблема снижения температуры при изготовлении алмазосодержащего инструмента встала при освоении отечественной промышленностью производства поликристаллических алмазов типа АРК-4. Преимуществами этого алмазного сырья является его высокая твердость и износостойкость, статическая и динамическая прочность в сочетании с низкой себестоимостью, а недостатком поликристаллов АРК-4 является их низкая термостойкость, которая составляет около 750 °С. Поэтому разработка новых процессов и технологий получения алмазного инструмента из низкотемпературного алмазного сырья с использованием высокотемпературных композиционных порошковых материалов в качестве связок возможна с использованием " способа

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 проблемы, состоящей в исследовании процессов спекания металлических и металлокерамических порошков в условиях высоких давлений и температур, влияния высоких давлений и температур на свойства алмазных материалов и разработке новых процессов по созданию высокоэффективного 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 следующие задачи:

а) создание многоразовой аппаратуры с требуемыми размерами для получения высоких давлений до 2,5 ГПа; разработка методик определения значений давлений и температур и их распределения в рабочей зоне камеры высокого давления (КВД);

б) исследование влияния высоких давлений и температур на свойства алмазных материалов, явлений структуре- и фазообразования при спекании металлических, металлокерамических порошков и алмазных материалов;

в) разработка методик по определению свойств алмазных материалов, связок и алмазосодержащих композиционных материалов на их основе;

г) создание нового класса безвольфрамовых связок для изготовления алмазного инструмента в условиях высоких давлений и температур;

д) разработка композиции припоя для крепления алмазоносной матрицы к корпусу инструмента при высоких давлениях;

е) создание высокоэффективной промышленной технологии изготовления алмазного бурового и камнеобрабатывающего инструментов с использованием новых алмазных материалов и высоких давлений, определение наиболее эффективных областей и режимов их применения.

Методики исследования

Работа выполнена с привлечением современных физико-химических методов анализа: химического, рентгенофазового и рентге-нострукгурного, электронно-оптического, металлографического, фрак-тографического; с использованием современных методов определения механических свойств и абразивной стойкости матричных и алмазных композитов. Определение технологических параметров разработанного бурового и камнеразрушающего инструмента проводили на современных стендах и серийном оборудовании. В работе также использовали вычислительную технику для расчета при проектировании КВД 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 экспериментальных данных установлена связь между давлением, прикладываемым к алмазным материалам, и температурой их разупрочнения, выражающаяся в том, что с увеличением давления термостойкость алмазов растет, что объясняется наличием в них металлических включений.

2. Экспериментально установлено, что системы никель - дибо-рид титана и никель - диборид хрома становятся адгезионно-активными к поверхности алмаза в условиях высоких давлений и температур, что приводит к прочному закреплению в этих связках алмазных материалов.

3. Предложена физическая модель взаимодействия алмазного зерна и связки при высоких давлениях и температурах, позволившая провести теоретический расчет влияния параметров спекания на дополнительное закрепление алмазного зерна с учетом различных коэффициентов их термического расширения.

4. Установлен механизм взаимодействия алмазного зерна с породой при бурении инструментом, содержащим крупные и мелкие алмазные зерна с различной прочностью и абразивной стойкостью, что позволило сформулировать требования к свойствам алмазных материалов для обработки различных горных пород.

Практическая значимость.

1. Созданы камеры высокого давления, аппаратура и разработан метод спекания порошковых материалов в условиях квазигидростатического сжатия при давлении до 2,5ГПа.

2. Экспериментально установлена связь между фазообразова-нием в системах никель - диборид титана (хрома) и ростом твердости и абразивной стойкости связок, что позволило разработать новые прочные и износостойкие материалы на основе композиций № и диборидов (Т®2, СгВ2) для камнеразрушающего алмазосодержащего инструмента, изготавливаемого методом спекания при давлении до 2,5111а.

3. Предложена методика комплексного анализа механических свойств и абразивной стойкости связок алмазного инструмента, что позволило проанализировать как наиболее распространенные, так и созданные в настоящей работе связки для алмазосодержащего камнеразрушающего инструмента и сформулировать требования к ним при создании нового высокоэффективного алмазного инструмента с заданными техническими характеристиками.

4. Разработана композиция припоя на основе № и СгВ2 для крепления алмазосодержащего слоя к корпусу алмазного инструмента, что

позволило создать технологию крепления непосредственно в процессе спекания при высоком давлении.

5. Проведено экспериментальное изучение влияния условий бурения, крупности и концентрации алмазов в буровых коронках с поликристаллическими алмазами АРК-4 на скорость проходки при бурении горных пород У1П-Х1 категорий буримости, что позволило выработать требования к инструменту, применяемому для бурения различных горных пород.

6. Экспериментально определена оптимальная нагрузка, прилагаемая к отдельному алмазному зерну при бурении, что позволило разработать и экспериментально подтвердить методику расчета размеров алмазосодержащих секторов и промывочных пазов алмазной буровой коронки в зависимости от размеров и концентрации поликристаллических алмазов АРК-4.

7. Внедрены в производство уникальные промышленные технологии изготовления при высоких давлениях до 2,5 ГПа с поликристаллическими алмазами АРК-4 алмазных буровых коронок типа КСК и шлифовальных головок ШГК

8. Разработана широкая номенклатура высокоэффективного алмазного бурового, отрезного, сверлильного и других видов инструментов для различных условий эксплуатации, получаемых методом спекания при давлении до 2,5 ГПа.

Реализация работы.

Разработанные промышленные технологии изготовления при высоких давлениях алмазного инструмента внедрены в производство на опытном производстве ИФВД РАН; ЭМЗ г. Лермонтов; ТЗАИ, Московской обл.; опытном заводе ВИТРа, С-Петербург. Высокоэффективные алмазосодержащие инструменты, изготовленные по разработанной технологии, находят широкое применение при обработке природного камня и строительных материалов, в горнорудной и строительной промышленности, при производстве геологоразведочных работ и добычи полезных ископаемых, что подтверждено положительными сравнительными испытаниями с лучшими мировыми аналогами.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследований и выявленные закономерности: по влиянию термобарической обработки на механические свойства алмазных материалов; по структуро- и фазообразованию в процессе спекания при высоком давлении металлических, металлокерамических порошков и алмазных материалов; по распределению давлений и температур в реакционной зоне КВД; по методам закрепления 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, припаечных материалов и методики определения их механических свойств и абразивной стойкости.

4. Разработанные конструкции бурового и камнеобрабатывающе-го алмазного инструмента и технологии по его изготовлению при высоких давлениях.

5. Результаты исследований по испытаниям созданного алмазного инструмента в буровой и строительной промышленности и рекомендации по его применению.

В совокупности перечисленные положения составляют новые научные представления по изготовлению алмазного камнеразрушающе-го 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 при высоких давлениях и температурах автору принадлежит инициатива изучения влияния высокого давления на повышение термостойкости известных и новых алмазных материалов, применяемых при изготовлении алмазного инструмента.

2. Автор обосновал направление исследований по изучению влияния давления на процесс спекания и свойства новых безвольфрамовых матричных композиций для связок.

3. Автор непосредственно принимал участие во всех этапах выполнения работы по исследованию алмазных материалов, связок, процессов образования композиционных алмазных материалов при высоких давлениях, разработке конструкций алмазного инструмента, проведению стендовых испытаний разработанного инструмента.

4. Автор принимал активное и непосредственное участие в создании опытной и промышленной технологий изготовления алмазного инструмента при высоких давлениях и температурах.

5. Автор непосредственно участвовал во внедрении разработанных им технологий изготовления алмазного инструмента на промышленных предприятиях, при производственных испытаниях разработанных алмазных инструментов.

6. Автор осуществляет постоянный контроль над внедренными технологиями и оказывает научно-техническую помощь производителям 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); "Сверхтвердые материалы" (Киев, ИСМ, 1995); выставке-ярмарке (Лейпциг, Германия, 1995)., Международной конференции «СТИМ 2001» (Киев, 2001 г.); на третьей и с пятой по восьмую Международных конференциях «Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент- техника и технология его изготовления и применения» (Киев, ИСН 2000-2005г.).

По теме диссертации опубликована 31научная работа (в т.ч. 15 авторских свидетельств и патентов).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы и приложений.

В первой главе рассмотрены характеристики горных пород, методы их аттестации и определения свойств. Сформулированы требования к процессам бурения и обработке горных пород в стройиндустрии.

Во второй главе рассмотрены методы испытаний и свойства различных алмазных материалов. Показано, что для камнеразрушающего инструмента может применяться широкий круг различных алмазных материалов, проанализированы преимущества и недостатки каждого класса этих материалов, изучено влияние термобарической обработки на свойства четырех типов алмазных порошков: природных алмазов А4, синтетических алмазов АС125 и вИВ, поликристаллических алмазных порошков АРК-4. Сформулированы требования к процессам изготовления алмазного камнеразрушающего инструмента с учетом особенностей алмазных материалов.

Третья глава содержит результаты исследований по созданию высокоэффективного алмазного камнеразрушающего инструмента, разработки камер высокого давления (КВД), разработки методики анализа распределения температуры и давления в КВД, разработки процесса спекания алмазного камнеразрушающего инструмента, изготавливаемого при высоком давлении. Сформулированы представления о возможности высокоэффективной работы с созданными КВД при серийном производстве алмазного инструмента, проанализированы преимущества и недостатки различных методов изготовления КВД (с многослойной поддержкой из колец и поддержкой намоткой из стальной ленты).

Четвертая глава содержит результаты исследований свойств связок, применяемых для изготовления алмазного камнеразрушающего инструмента. Проанализированы свойства вольфрамосодержащих связок, как наиболее часто используемых при изготовлении бурового инструмента. Рассмотрены связки, разработанные для условий изготовления алмазного инструмента методами горячего прессования и спекания при высоком давлении. Сформулированы представления об их пре-

имуществах и недостатках при применении их в инструменте для различных условий камнеобработки и бурения.

Пятая глава содержит результаты исследований по разработке специальных безвольфрамовых связок алмазного инструмента, изготовляемого методом спекания под высоким давлением, разработанные методы контроля механических свойств и абразивной стойкости связок, позволяющие комплексно оценивать работоспособность связок в различных технологических процессах. Сформулированы представления о методах аттестации и свойствах разработанных связок.

Шестая глава содержит результаты исследований по разработке конструкций бурового алмазного инструмента, изготавливаемого разработанным методом спекания при высоком давлении. На основе результатов большого количества экспериментальных и серийных испытаний буровых коронок при бурении горных пород различных категорий определены их области применения, режимы бурения и типы применяемых буровых коронок.

Седьмая глава содержит результаты исследований по разработке и использованию камнеразрушающего алмазного инструмента, изготавливаемого при высоком давлении, применяемого при сверлении, шлифовании, резке сегментными кругами и полосовыми пилами строительных материалов и горных пород. Сформулированы представления о применяемых марках алмазов, составов связок, режимах изготовления и эксплуатации разработанного алмазного инструмента. Показана перспективность и эффективность серийного применения разработанной технологии для изготовления широкого класса алмазных инструментов.

Объем работы: страниц 323, рисунков 84, таблиц 94, список литературы из 282 наименований цитируемых работ, приложений 3.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ТЕРМОСТОЙКОСТЬ АЛМАЗА

Полиморфный переход графит - алмаз является гистерезисным баротермическим превращением. Баротермический гистерезис, возникающий при прямом и обратном переходах, приводит к тому, что Р,Т -линии синтеза и графитизации алмаза, а также Р,Т - линия термодинамического равновесия графит - алмаз не совпадают. На рис. 1 представлена диаграмма состояния углерода и области изготовления алмазного инструмента. Экспериментальную проверку по влиянию давления на скорость графитизации природного алмаза впервые провел Впйдтап РЖ в 1947 г. Была исследована графитизация природных алмазов при давлениях от 1,5 до 3,0 ГПа. Количественные данные, полученные Впс1£рпап РЖ, имели значительный разброс. Тем не менее, главный вывод его работы заключался в том, что скорость графитизации повыша-

ется с ростом температуры и снижается с ростом давления. Впоследствии в работах Воуепкпк Н.Р. при температурах 1500-2000°С и давлениях до 2,0 ГПа и Вшк1у КР. при температурах 1200-2150 °С и давлениях 3,3-6,1 ГПа получили аналогичные результаты.

Диаграмма состояния углерода.

Р,ГПа

Алма /л

3 У

Гг >афит

< ., ,1,......>

1-линия равновесия алмаз-графит.

I- область изготовления камнеразру-шающего алмазного инструмента традиционными методами

П- Р-Т область изучения взаимодействия матрицы и алмазов в настоящей работе.

0 250 750 1250 Т,°С

Рис.1.

Термодинамическому расчету зависимости между давлением и температурой при превращении алмаза в графит посвящены работы A.B. Лысенко и др.

Термостойкость алмазов является одной из важнейших характеристик, определяющих работоспособность алмазного инструмента. Реальные алмазные зерна имеют различные дефекты: поры, включения графита, минералов, металлов-катализаторов, газов и т.д. Форма, размеры и расположение дефектов также носят различный характер. Применение давления в процессе изготовления алмазного инструмента приводит к всестороннему обжатию алмазного зерна окружающей средой, что препятствует разрушению алмазных зерен. Разброс количественных данных по влиянию давления на повышение термостойкости различных алмазов объясняется большим разнообразием их физико-химических свойств. Кроме того, различные условия при создании давления, нагрева, наличие среды, передающей давление, снижают ценность 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 характеристик, определяющих его работоспособность. Поэтому, нами прове-

дено изучение влияния давления при нагреве алмазных зерен на их способность сохранять прочностные свойства, и тем самым позволило изучить изменение их термостойкости от условий термобарической обработки.

Были выбраны 4 типа алмазных порошков, представляющие весь спектр алмазов, пригодных для камнеобработки: природные алмазы А4, размером 400/315; алмазы фирмы De Beers SDB 1100 размером 40/50; отечественные алмазы АС125 размером 400/315; поликристаллические алмазы АРК-4 размером 400/315. Была разработана следующая методика проведения эксперимента.

Навеску алмазного порошка смешивали с навеской NaCl и прессовали в таблетку под давлением 500 МПа. Термобарическую обработку проводили в камере высокого давления (КВД) типа "наковальня с углублением". КВД калибровали по давлению при комнатной температуре по стандартной методике с использованием реперных материалов: Bi и PbSe. Температуру измеряли хромель-алюмелевой термопарой непосредственно в процессе проведения термобарической обработки. После термобарической обработки прессовки с алмазами растворяли в кипящей воде до полного растворения NaCl. Далее проводили прочностные испытания термобарически обработанных алмазов в соответствии 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 повышению их термостойкости. Это связано с большим количеством примесей в этих алмазах и, как следствие, невысокой их термостойкостью. Влияние высокого давления 2,5-4,0 ГПа приводит к некоторому понижению прочности АРК-4 уже при 700-800 °С. Это связано не с термостойкостью алмазных кристаллитов, слагающих поликристалл, а с наличием крупных включений сплава-катализатора, сжимаемость которых значительно выше, чем у алмазных кристаллитов. Давления 2,5-4,0 ГПа могут приводить к образованию трещин на границе алмаз - металлическое включение. Поэтому, применение сверхвысоких давлений в 2,5 - 4,0 ГПа для изготовления алмазного инструмента, превышают оптимальные давления для алмазов АРК-4. Оптимальными режимами термобарической обработки являются: давление -1,5-2,0 ГПа, температура-до 1050 °С.

Высокие давления, кроме сохранения свойств алмазов, приводят к активизации процессов спекания металлокерамической матрицы и взаимодействия на поверхности алмаз-связка, что также вызывает необходимость в дополнительном изучении этих процессов при высоких давлениях и температурах (область П на рис. 1).

Зависимость прочности алмазного порошка АРК4 400в 15 от Зависимость прочности алмазного порошка ЛС 125 условий обработай 400/315 от условий обработки

1-вакуум(6*10"1 + 12*10"3Па); 1-вакуум(6«10-® + 12*10"Па);

2-2,5ГПа;3- 4,0ГПа 2-2,5ГПа;3- 4,0ГПа

Доверительный интервал определения прочности ±6Н Доверительный интервал определения прочности ±15Н

Рис. 2а Рис. 2 б

Зависимость прочности алмазного порошка SDB 1100 40/50 от условий Зависимость прочности алмазного порошка А4 400/315 от ус-обрабоиси ловий обработки

1000. 9001

800

700

X

е 600

§ 500

а. 400

С

300

200

100

0

I

"Я —1 V,

> 1—-

г

и

120

2 «*> 3

1 80 X

Й

о

а С

60 т 20

25 700 800 900 1000 1100 Температура, °С

1-вакуум(б»10"} + 12* 10"3Па); 2-2,5ГПа;3- 4,0ГПа Доверительный интервал определения прочности ±100Н

Рис. 2г

-11—

М h

л

—ft—

1200

25 700

800 900 1000 Теяпврюура, °С

1100 1200

ЬвакуумСб'Ю-5 + 12*10"5Па); 2-2,5ГПаЗ- 4,0ГПа Доверительный интервал определения прочности ±9Н

Рис. 2в

СОЗДАНИЕ КВД ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОГО КАМНЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ ДО 2,5 ГПА Технология изготовления алмазного камнеразрушающего инструмента при давлениях до 2,5 ГПа разработана на базе установки для горячего прессования Д0-043 усилием 2000 т.е. Были созданы несколько КВД различного объема с использованием двух схем: с многослойной поддержкой стальными кольцами (до 1,5 ГПа) и с намоткой высокопрочной стальной ленты с предварительным натяжением на внутренний сердечник (до 2,5ГПа). Расчеты КВД с многослойными поддержками стальными кольцами и намоткой стальной ленты проводили с применением формул Ляме. Для изготовления КВД, с поддержкой стальной лентой, на сердечник, выполненный из высококачественной стали ([а]т = 1,5 ГПа), наматывали с предварительным натяжением стальную ленту ([ст]т =1,5 ГПа) в несколько слоев. Такую конструкцию можно рассматривать как многослойный сосуд с множеством мелких колец, насаженных последовательно друг на дата с натягом. Давление каждого слоя ленты на предыдущий слой в основном зависит от величины усилия натяжения ленты (рис. За).

(1)

а=ШЬ, (2)

где: N - натяжение ленты, Ь - ширина ленты, 5 - толщина ленты, Р; -давление на виток изнутри, Я - радиус витка лента.

Принимая натяжение ленты при намотке постоянным стг = ст2 = .. .= ст„ = ст, общее сжимающее напряжение запишется в виде:

<хг=2сг<^Г-

1

х=1

(г2 + х8-8

И

г2 +х8-5

(3)

Графически это представлено на рис. 36 и Зв, где шаг деления равен 1. Таким образом, значение функции Дп) выражает площадь соответствующего прямоугольника или влияние п-го слоя на сжимающее напряжение стального сердечника.

Суммарное напряжение на внутренней стенке от всех слоев ленты определяется выражением:

<тг =ст1п

(г2+п6-дУ-г

г-> -г.

<Тт=/(п) (4)

Для КВД, имеющей габариты стального сердечника ^ = 60 мм, г2 = 100 мм и толщину ленты 8 = 0,8 мм, меняя количество наматывае-

мых слоев, можно оценить значения напряжения на внутренней стенке камеры. При натяжении ленты с напряжением а = 0,8-0,85 ГПа предельное сжимающее напряжение на внутренней стенке сердечника для различных слоев ленты представлены в табл. 1.

Такая конструкция КВД рассчитана на предельное давление

P = {[aT]+af(r,))

Для о = 0,85 ГПа и п = 125

(5)

1-

Z3 = (1,50+0,85-1,7) •

60

1100+125-0,8

*1,5 ГПа

Таблица 1

Влияние количества слоев ленты на сжимающее напряжение

п, шт. 100 125 150

о\ГПа 1,24 1,45 1,62

Для материалов, хорошо работающих на сжатие, например, твердых сплавов с [<т,]>3 ГПа, возможно более эффективное использование намотки.

Использование намоточного варианта для изготовления камеры высокого давления с более полным использованием прочностных свойств ленты при числе слоев более 150 позволяет получить предельное давление в 2-2,5 ГПа Нами были изготовлены камеры высокого давления с рабочими параметрами: рабочий объем до 3 дм3, давление до 2,5 ГПа, которые успешно прошли опьггно-промьшиенную проверку. Дополнительным преимуществом данного типа камер является возможность их изготовлять малогабаритными, что позволяет использовать их со стандартным 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 программ, разработанных в ИСМ им. В.М Бакуля для моделирования процессов кристаллизации алмаза, нами было рассчитано температурное поле в рабочем объеме камеры высокого давления, которое для схемы сборки КВД0 120 мм (рис. 4а) представлено на рис. 46. Для измерения распределения давлений в КВД нами была разработана специальная методика по его определению с помощью образцов-свидетелей. Распределение давлений в КВД представлено на рис. 4в.

Распределение усилий на ленте

Распределение усилий ни стальном сердечнике

Рис.3 б

Усилия сжатия на стальной сердечнике от п-го слоя

и N

1 2 VI4- оа 1 4 п-1 п п

Рис. з в

Схема сборки КВД для спаями образцов (сегментов, брусков)

А-А

1 - верхний поршень, 2 - верхний торцевый нагреватель;1 - графкговый диск; 4 - электро- и теплоизолирующая кгтлнттовая обойма; 5 - контейнер высокого давления, б - графитовая подложка; 7 - спекаемое образцы, 8 - нижний торцевый нагреватель, 9 - нижний поршень Рис. 4а

Схема распределемга давлений в реакпяожой ячейке КВД

Рис 4в

РАЗРАБОТКА СВЯЗКИ ДЛЯ АЛМАЗНОГО КАМНЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Для изготовления алмазного камнеразрушающего инструмента наиболее часто применяют связки на основе кобальта, никеля и на основе композиции твердый сплав - медь. Однако кобальтовые связки очень дороги, никелевые малоабразивные, а связки на основе твердого сплава требуют нагрева при изготовлении инструмента до высоких температур, превышающих термостойкость синтетических алмазов. Нами в качестве основы для разрабатываемых связок был выбран никель, применяемый при изготовлении инструмента из термостойких алмазов. Несмотря на то, что термостойкость синтетических алмазов повышается с увеличением давления, даже при давлении в 2,5 ГПа температура спекания инструмента с алмазами АРК-4 не должна превышать 10501100 °С из-за возможного снижения прочностных свойств алмазов. Для повышения абразивной стойкости связки никель легировали диборидами титана или хрома, порошком твердого сплава ВК15. Выбор диборидов титана и хрома, во-первых, обусловлен тем, что они должны образовывать жидкую фазу с никелем при данных температурах. Во-вторых, борвды титана, хрома и никеля обладают высокой твердостью, что должно приводил, к увеличению общей твердости и износостойкости связки. В-третьих, титан и хром являются карбидооб-разующими элементами. Возможность образования карбидов в малых количествах на поверхности алмаза должна приводить к дополнительному адгезионному его закреплению в связке.

Образцы изготавливали по следующей методике. После взвешивания навесок порошков никеля и соответствующего легирующего компонента их смешивали в течение 3-х часов в смесителе типа "пьяная бочка". Затем навеску полученной шихты, рассчитанную для изготовления беспористых брусков размером 7,5x7,5x40 мм, подвергали' холодному прессованию. После чего ячейку высокого давления с образцами помещали в КВД и спекали под давлением 1,5 ГПа и температуре 1050 °С в течение 6 минут. Образцы для механических испытаний определенных размеров получали шлифованием спеков.

Полученные образцы подвергали механическим испытаниям на твердость, сжатие, изгиб, срез, а также определяли их абразивную стойкость. Поскольку данные по механическим свойствам связок алмазного камнеразрушающего инструмента в литературе представлены не достаточно, в настоящей работе проводили испытания образцов стандартных связок на основе никеля, кобальта и твердого сплава (М6-02). Образцы связок М6-02 были получены инфильтрацией медью прессовок из твердого сплава ВК-15 в водороде при температуре 1250 °С

Образцы связки на основе кобальта изготавливали двумя способами: 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 КВД 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 новых связок алмазного материала нами была разработана методика с применением стандартного технологического оборудования.

При определении абразивной стойкости образцов связок проводили 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 абразивной стойкости образцов связок, получаемые при использовании алмазного порошка, хорошо коррелируют с данными, полученными с использованием других абразивных материалов. Кроме того, исходный алмазный порошок обладает стабильными механическими и гранулометрическими свойствами и наибольшей абразивной стойкостью. Эти преимущества алмазного порошка приводят к повышению точности и надежности получаемых результатов.

На рис. 5а представлены временные зависимости убыли массы образцов связок в процессе испытания. Из экспериментальных данных, представленных на рис. 5а, следует, что за 60-150 минут процесс уменьшения массы образцов полностью заканчивается. Причем максимальная скорость уменьшения массы образцов связок фиксируется в первоначальный период испытания. На рис. 56 представлены экспериментальные точки убыли массы образцов связок в процессе испытания и расчетные зависимости, описываемые уравнениями вида:

Ш=Агв, (6)

где: Ш - убыль массы; I - время, е.; 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 гранулометрический состав. В процессе испытания происходит разрушение исходных алмазных зерен, уменьшается их размер, что приводит к снижению абразивной способности и к уменьшению скорости съёма образцов. В реальных условиях работы алмазного инструмента происходит постоянное вскрытие обрабатываемого материала и образование нового абразивного шлама взамен удаленного. Поэтому только на начальной стадии испытания, когда наблюдается линейная скорость съема образцов

связок, разработанная нами методика моделирует реальный процесс камнеобработки. Продолжительность этой стадии зависит от механических свойств испытываемых связок На рис. 5в представлены рассчитанные методом наименьших квадратов линейные зависимости вида ш = Сг и экспериментальные точки убыли массы образцов связок в течение первых 20 минут испытания. Из представленных на рис. 5в данных 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 материала связки за это время характеризует их абразивную стойкость. Свойства испытанных связок на абразивную стойкость, их твердость и коэффициенты степенных и линейных уравнений, описывающих кривые убыли массы образцов этих связок, приведены в табл.2.

Таблица 2

Коэффициенты степенных и линейных уравнений, описывающих кривые убыли массы образцов связок при испытаниях на истирание

Состав связки Твердость, НИВ (НЯС,) Коэффициенты уравнений степенного вида Коэффици еит линейного уравнения Скорость убыли массы за 20 мин., мг/мин.

А В С

1 № + 5%СГВ2 85-87 34,5 0,49 8,3 8,0

2 № +15% СгВ2 93-97 (17-19) 12,8 0,58 4,0 3,9

3 № + 30% СгВ2 (31-39) 60,5 0,35 10,0 8,5

4 м + 5% таз 78-82 13,4 0,62 4,5 4,25

5 № +15% Т®2 86-88 70,3 0,30 10,9 9,8

6 № + 30% ТШ2 86-90 94,0 0,34 15,6 14,0

7 № + 10%ВК15 81-82 19,0 0,63 6,6 7,1

8 М6-02 (ВК15+Си) (24-28) 60,5 0,41 11,7 6,25

9 Со (26-27) 29,7 0,57 8,9 8,25

1 0 М6-25 (Со) 90-92 20,7 0,65 7,6 10,8

Связки №№ 1-7 и 9 изготовлены при 1,5 ГПа и 1050 °С.

Даже при одинаковых условиях испытаний для сплавов однородных систем (Си-Бп) или №-СтВ2 (№ 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

Временные зависимости убыли массы образцов связок при испытании на истирание от содержания ИВгССгВг) в никеле(а) и для образцов связок №7-10

ДМ,Ш

1

1

1 *

1

- (X и В

|

т - - - _ _ -

1 |

1 I 1 1 |

0 10 29 30 40 50 60 70 Ю ТО 100 110 120 130 140 150

Время испытания, мин. 1- 5%СГВ2;2-15% СГВ^З- 30% СгВ2; 4- 5% ТШ2;5 - 15% ИВ^б - 30% Т1В2;

ДМ. кг

0 10 20 30 -ю 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Экспериментальные точки и расчетные зависимости убыли массы образцов различных связок

иг.

Время испытания, мин.

Время испытания, мин.

ДМ. мг,

Экспериментальные точки и расчетные линейные зависимости убыли массы образцов различных связок (табл.2)в течении начального периода

Ш, ИГ.

Время испытания, мин.

¿.М. мг.

Время испытания, мин.

Зависимость механической скорости бурения

от осевой нагрузки на различных частотах вращения инструмента и зернистости объемных алмазов опытных коронок

V».,, и'Ути.

1-450 об/мин,630/500;

2-600 об/мин,630/500;

3-450 об/мин, 1000/800;

4-450 об/мик,1600/1250;

5-1250 об/мян.100/800;

6-600 об/мин, 1600/1250;

Рис. 6

твердости по методу Роквелла, проводили испытания связок на сжатие

(определяли предел прочности (Ос*); предел текучести (атсж.) и усадку

(е, %); изгиб (определяли предел прочности (Оют), предел текучести

(СГг.гог) и полный прогиб (0); срез (определяли предел прочности (Ос,«,.)) и полную абразивную стойкость. Механические свойства образцов, разработанных (для оптимальных составов) и стандартных связок, представлены в табл.3.

Таблица 3

Механические свойства образцов стандартных и разработанных связок

Состав Изгиб Сжатие Срез Износ, мг.

Ощ> МПа МПа £ мм. СГсж МПа От МПа е, % Стер., МПа

№+10%ВК15 900 660 1,45 960 500 43 310 360

ВК15+Си водород, 1250°С 960 960 0,39 1120 840 18 310 440

Со 600 600 0,36 910 830 4,2 150 390

Со 30 МПа; 750°С) 800 530 1,02 1090 420 23 250 435

№ + (3-10) ТШг 500700 500700 0,30,4 700800 450530 2030 200250 235 -350

№ + (8-20) СгВг 500900 500800 0,350,6 800900 500700 1035 200250 190250

С целью изучения процессов, протекающих при спекании образцов связок в условиях высокого давления, проводили их количественный рентгенофазовый анализ (на установке ДРОН-4 в режиме шагового сканирования) и металлографическое исследование. Составы образцов и результаты количественного рентгенофазового анализа приведены в табл. 4. При сравнении данных, представленных в табл. 4, с соответствующими диаграммами состояния можно сделать вывод, что условия спекания образцов не позволяют достигнуть равновесного состояния для сплавов изученных систем. Причем в системе №-СгВ2 взаимодействие вдет наиболее интенсивно.

Для проведения металлографического анализа шлифы образцов связок подвергали травлению в концентрированной азотной кислоте.

Таблица 4

Фазовый состав образцов связок

Состав связки, % Фазовый состав образца, %

№-5%ТШ2 №-15%ТШ2 №-30%ТШ2 твердый р-р га основе №-90%; ТШ2-3%; №2оТ1зВ6-7% твердый р-р га основе №-72%; Т1Вг-8%; №2(Д1эВб-20% твердый р-р га основе №-62%; Т1В2-16%; №мТ1зВб-22%

№-5%СГВ2 №-15%СГВ2 ЫьЗОУоСгВз твердый р-р на основе№-94%; СгВ2-2,5%; №2В+№зВ-3,5% твердый р-р га основе№-85%; СгВ2-4,6%; №2В+№зВ-10% твердый р-р на основе№-77%; СгВ2-10%; №2В+№зВ-13,4%

Металлографическое исследование показало, что сплавы системы никель - диборид титана имеют трехфазную структуру во всем изученном диапазоне концентраций (до 30 % ТШД Блестящие включения представлены фазами на основе диборида титана. Микротвердость включений в сплавах с содержанием 5 % ТШ2 достигает 8 ГПа; с содержанием 30 % ТШ2 достигает 27 ГПа. Блестящие включения окружены серой фазой на основе никеля, микротвердость которой практически не менялась во всем изученном диапазоне концентраций (до 30 % ТЯЗД и составляла 1,4-1,6 ГПа. На границе блестящих включений и серой фазы наблюдали промежуточную фазу, не имеющую четко выраженных границ. С повышением концентрации ТШ2 в никеле количество твердых частиц повышается, растет и их микротвердость. Существенного повышения микротвердости фазы на основе никеля не происходит, не происходит и увеличения твердости образцов, измеренных методом Ро-квелла. Проведенный фрактографический анализ изломов образцов сплавов системы никель - диборид титана свидетельствует, что качественного изменения характера изломов с повышением содержания ТШ2 не наблюдается. Увеличивается число округлых частиц на поверхности излома. В целом можно сделать следующее заключение, что условия спекания образцов системы никель - диборид типша не достаточны для протекания процесса активного химического взаимодействия частиц никеля и диборида титана. При небольших количествах ТШ2 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 ТШ2 прочность удержания твердых частиц в матрице на основе никеля ослабевает за счет повышения вероятности образования контакта между твердыми частицами и процесс износа из стадии истирания переходит в стадию микровыкрашивания, что приводит к снижению общей абразивной стойкости образцов. Оптимальным содержанием ТШ2 в никеле следует считать содержание от 3 до 10 %.

Металлографическое изучение образцов связок системы никель - диборид хрома показало (также как и для системы никель - диборид титана), что микроструктура сплавов не однородна. Однако, можно выделить две структурные составляющие. Это серая фаза на основе никеля и темные округлые включения (до 10-12 % СгВ2) или серая фаза на основе никеля и блестящая округлая фаза на основе диборида хрома (при содержании СтВ2 более 12 %). Микротвердость фазы на основе никеля изменялась от 1,4 ГПа при 5 % СгВ2 до 2,6 ГПа при 30 % СгВ2. Микротвердость темной фазы составляла 3,2-4,0 ГПа (по-ввдимому, это фаза на основе боридов никеля), микротвердость блестящей фазы достигала 7,0-8,0 ГПа. Фрактографический анализ изломов также показал значительные различия в поверхностях образцов различного состава. Характер изломов образцов с повышением содержания диборида хрома меняется от межкристаллитного к частично транскристаллитному разрушению. Сопоставление результатов металлографического и рентге-нофазового анализов, совместно с результатами механических испытаний, позволяют заключить, что процесс химического взаимодействия при спекании образцов системы никель - диборид хрома протекает более активно, чем образцов системы никель - диборид титана. Поэтому, несмотря на то, что частицы диборида хрома по значениям микротвердости значительно уступают частицам диборида титана, износостойкость и механические свойства образцов композиции никель - диборид хрома значительно выше. Оптимальная концентрация диборида хрома в никеле при использовании данных композиций в качестве износостойких связок составляет от 8 до 20 %.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФАЗ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СВЯЗОК СОСТАВА НИКЕЛЬ-ДИБОРИД ХРОМА

(ТИТАНА)

Рабочий слой алмазосодержащего инструмента можно рассматривать как композиционный материал, в котором один из компонентов является непрерывной фазой (связка), а другой (зерна алмаза) равномерно распределен в ней в виде включений. Основным требованием к связке является прочное закрепление частиц алмаза. Удержание абразивного зерна может происходить механически или в сочетании механического и адгезионного его закрепления в связке. Термодинамический анализ системы никель-диборид титана-алмаз показал возможность образования боридов никеля, карбида титана, интерметаллидов системы никель-титан. Термодинамический анализ системы никель-диборид хрома - алмаз также показал возможность образования боридов никеля и карбидов хрома.

Изучение химического взаимодействия связки с алмазом в образцах указанных систем проводили по следующей методике. Путем спекания при давлении 1,5111а, при температуре 1050 °С в течение 6 минут были приготовлены образцы следующих составов: 50 об. % (ни-кель-15 % СгВ2) - 50 об. % алмаз марки АСМ 40/28 (1); 50 об. % (ни-кель-5 % ТШ2)- 50 об. % алмаз марки АСМ 40/28 (II). Повышенное содержание мелкого алмазного порошка (по сравнению с применяемым в инструменте) использовали для создания большой межфазной поверхности контакта алмаз-связка. Для устранения примесей образцы шлифовали и проводили рентгенофазовый анализ. Результаты ренттенофа-зового анализа представлены в табл. 5. Из представленных в табл. 5 данных следует, что в системе никель-диборид титана-алмаз не образуется фаза №2оТ1зВб, в количестве достаточном для обнаружения методом рентгенофазового анализа. Это связано с растворением углерода в никеле, что подтверждается некоторым увеличением периода решетки твердого раствора на основе никеля.

При использовании связки на основе системы никель-диборид хрома, кроме механического, наблюдается и адгезионное закрепление алмазных зерен, поскольку методом РФА обнаружено карбидообразо-вание.

Таблица 5

Фазовый состав алмазосодержащих образцов

№ образцов Фазовый состав образцов после спекания

I твердый р-р на основе № (период решетки а=3,52 анг.), алмаз, СгВ2, №2В-№зВ, Сг23С6

II твердый р-р на основе № (период решетки а=3,53 анг.), алмаз,ТШ2,Т12В5

При рассмотрении проблемы закрепления алмазных зерен необходимо отметить то, что применение высоких давлений позволяет провести дополнительное закрепление алмазных зерен в связке за счет различия коэффициентов термического расширения и сжимаемости алмазного зерна и металлокерамической связки различного состава. Была рассмотрена система, состоящая из порошкообразной металлической связки с расположенным внутри нее алмазным зерном. После нагруже-ния этой системы высоким давлением при повышении температуры происходит сближение частиц связки и исчезают возможные поры внутри порошковой массы и вокруг алмаза. В результате пластического течения образуется монолитная масса связки вокруг 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

сильному обжатию алмаза. Снятие внешнего давления ведет к разгрузке системы, однако термическое давление сохраняется и продолжает удерживать алмаз в связке. Для расчета давления связки на алмазное зерно после охлаждения был рассмотрен сферический алмаз радиуса г, окруженный связкой в виде сферы радиуса К, как камеру высокого давления. Термическое расширение пространства у алмаза приводит к увеличению радиуса Я на величину ЛЯ:

ДЯ = а-Я-Д1, (7)

где а - коэффициент линейного расширения, Д1 - перепад температур, на которые нагревается связка.

Такое же увеличение радиуса Я при создании внутреннего давления произойдет при давлении Р.

ргз

М = -{1-2М), (8)

где ц - коэффициент Пуассона материала связки, Е - модуль упругости материала связки.

Принимая во внимание небольшие размеры алмаза по сравнению с массой связки, можно считать величину 0 • Поэтому величина давления связки на алмаз после охлаждения системы алмаз - связка выразится величиной:

„ схЕ-ДГ

Р=--(9)

1-2М

Подбирая материал связки можно добиться различного давления ее на алмаз, а значит и различного закрепления алмаза в связке. В табл. 6 приведены расчетные значения давления связки на алмаз после охлаждения системы от 1000°С для некоторых, часто применяемых металлических связок

Таблица 6

Расчетные значения давления связки на алмазное зерно

Материал связки а-10*, 1/град. Е, ГПа Ц Р, МПа ДР, ГПа для Д1= 1000 °С

№ 15 200 0,3 7,5-М 7,5

Си 18 120 0,34 6,ЪМ 6,7

4,5 400 0,22 3,2-АХ 3,2

Со 12,3 210 0,3 6,5-М 6,5

Из данных, приведенных в табл. 6, следует, что применение технологии горячего прессования при высоком давлении при использовании всех представленных металлов в качестве основы связки приводит к прочному механическому закреплению алмазных зерен, что явля-

елся большим преимуществом разработанной технологии изготовления алмазного инструмента.

СОЗДАНИЕ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЛОЯ К КОРПУСУ АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА.

Алмазный породоразрушающий инструмент состоит из алмазосодержащего слоя и стального корпуса. Алмазосодержащий слой крепится к корпусу механически, либо пайкой. В настоящей работе была поставлена задача разработать способ крепления алмазосодержащего слоя к стальному корпусу, который бы позволил получать целое изделие за один цикл спекания под давлением, без дополнительной операции пайки. На основе полученных результатов по композициям №-СтВ2 и №-ТШ2 для исследований были изготовлены двухслойные образцы из стальной подложки и композиции на основе никеля, легированного диборидом хрома для снижения температуры плавления. Содержание диборида хрома варьировалось от 5 до 15 %. При испытании на срез образцы разрушались без усилия. Для активирования химического взаимодействия на границе раздела и предотвращения окисления при нагреве и хранении было предложено стальную подложку покрывать никелем методом гальванического осаждения. Результаты испытаний образцов представлены в табл. 7.

Таблица 7

Составы припоя и прочность паяного соединения при испытании

на срез

Характеристика подложки Состав припоя, % Прочность на срез, МПа

Ст.40ХН №-(6-15)СгВ2 «0

Ст.40ХН, (покрытие -гальванический никель) №-6СГВ2 48

№-10СГВ2 185

№-15СгВ2 170

Анализ изломов свидетельствует о том, что для образцов, богатых диборидом хрома (10*15 %), разрушение проходит по телу припоя. Поверхность излома образцов, содержащих 5 % СгВ2, проходит частично по поверхности гальванически осажденного на сталь никеля, частично по телу припоя. Отслоения гальванического никеля от поверхности стали в процессе испытаний не наблюдалось, т.е. прочность крепления гальванически осажденного никеля к поверхности стальной подложки превышает прочность самого припоя. Введение диборида хрома в никель в количестве 8-15 % обеспечивает прочность крепления алмазосодержащего слоя к корпусу выше прочности и припоя, и алмазосо-

держащего слоя. Введение диборида хрома в никель более 15 % не целесообразно из-за снижения прочности самого припоя.

НОВЫЙ АЛМАЗНЫЙ БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ.

Одной из актуальных задач в области буровой техники является создание высокоэффективного породоразрушающего инструмента для бурения горных пород.

В настоящей работе на основе метода спекания при давлении до 1,5 ГПа с использованием алмазов АРК-4, обладающих необходимыми прочностными свойствами и низкой стоимостью, и новых разработанных связок, был разработан целый ряд коронок КСК (коронка 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 подрезных были использованы алмазы АРК-4 2000/1600. Была разработана следующая технология изготовления коронок Прессовали нагреватель профильного типа из графито-катлинитовой шихты (с вкладышами под промывочные окна) в пресс-форме, укладывали подрезные алмазы по определенной схеме, в каждый алмазосодержащий сегмент засыпали навеску гранулированной алмазной шихты, засыпали шихту припоя, устанавливали корпус коронки и прессовали сборку. После прессования сборку алмазной коронки извлекали из пресс-формы, и проводили сборку ячейки камеры высокого давления для спекания коронки методом горячего прессования под давлением до 1,5 ГПа. После горячего прессования проводили механическую обработку заготовки для придания ей окончательных размеров. Для упрощения технологии сборки, а главное для равномерного распределения алмазов в объемном слое, была разработана технология грануляции алмазов АРК-4. Процесс грануляции заключается в изготовлении однородных гранул, состоящих из центрального ядра (частицы АРК-4) и нанесенного на нее слоя связки. Твердость связки после спекания составляла от 20 до 35 ед. НЛСэ. Опытные коронки испыгывались на стенде СКВ ВПО "Союзгеотехни-ка", на станке мод. СБА-500. Бурение проводили по блокам лабрадорита и габбро УШ-ЕХ категорий буримости.

В результате стендовых испытаний опытных коронок установлено, что при бурении данных горных пород инструмент имеет высокую износостойкость и производительность. Расход алмазов объемного слоя составил 0,3-0,375 карат/м. бурения. Механическая скорость бурения достигала 10-15 см/мин. Высокая прочность конструкции коронок обеспечивала их стабильную эксплуатацию на форсированных режимах бурения при осевых нагрузках до 20кН и частоте вращения до 1250 об/мин. Зависимость механической скорости бурения Уиюс от осевой

нагрузки при различных частотах вращения и зернистости объемных алмазов опытных коронок представлена на рис. 6. Из данных, представленных 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, обеспечивая их более глубокое внедрение в горную породу. Поскольку удельная прочность алмазных зерен АРК-4 слабо зависит от их размера из-за особенностей их структуры, становится возможным использование крупных фракций алмазных порошков. Скорость проходки при увеличении фракции алмазов от 630/500 до 1600/1250 возрастает в 3-4 раза при бурении пород УШ-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 термостойкостью алмазов АРК-4 при давлениях 1,5 ГПа. Такая температура недостаточна для протекания активного химического взаимодействия стального корпуса коронки с алмазосодержащей матрицей при спекании. При форсированных режимах бурения наблюдалось отслоение алмазосодержащего слоя от стального корпуса. Применение корпуса, гальванически покрытого никелем, и разработанной порошковой припаечной композиции, включающей никель и диборид хрома, позволило решить проблему прочного закрепления алмазосодержащего слоя на корпусе коронок. В дальнейшем, при любых скоростных режимах бурения, в коронках, спеченных со специальным припоем, отслоения алмазосодержащей матрицы не наблюдалось.

Производственные испытания алмазных коронок КСК и КСКИ ( импрегнированные) проводили на плановых скважинах Печенегской ГРП (Кольский полуостров). По результатам стендовых и производственных испытаний была определена оптимальная нагрузка на отдельное алмазное зерно и, учитывая это, предложена методика расчета размеров алмазосодержащих секторов коронки в зависимости от крупности применяемых алмазов и их концентрации в алмазосодержащем слое, разработаны конструкции буровых коронок для массового производства. Для сравнения использовали серийные буровые коронки 02ИЗ и 01 A3 из природных алмазов производства КБЗАИ г. Терек Результаты работы коронок при бурении горных пород различных типов представлены в табл. 8.

Для бурения пород IX-XI категорий буримости была разработана коронка АКСК. В этой коронке были использованы как износостойкие крупные алмазы АРК-4, так и дефектные мелкие дешевые шлифпорош-ки АС6 (АС15) 200/160. Это позволило применять коронки КСК для пород X-XI категорий буримости. По нашему мнению, процесс бурения

коронками АКСК протекает следующим образом. При осевом нагруже-нии коронки происходит внедрение алмазов в горную породу. В ней происходит образование трех зон: деформации, выкола и предразруше-ния. Глубина зоны предразрушения в 7-11 раз превышает глубину внедрения алмазных зерен. Известно, что образование трещин при бурении коронками с мелкоразмерными алмазами происходит при меньших общих нагрузках. Для увеличения количества алмазных зерен, контактирующих с породой, использовались мелкие синтетические шлифпо-рошки АС6 (АС15) 200/160. Наличие большого количества алмазов на поверхности коронки способствует образованию трещин в горной породе. Но поскольку прочностные и абразивные свойства применяемых шлифпорошков алмазов значительно уступают алмазам АРК-4, то всю силовую нагрузку воспринимают именно эти алмазы, которые контактируют с ослабленным слоем горной породы. После удаления этого слоя происходит заглубление коронки и акты образования предразру-шенного и разрушенного слоев повторяются.

Комбинированное использование синтетических поликристаллических и монокристаллических алмазов в породоразрушающем инструменте обеспечивает большую эффективность бурения горных пород высокой твердости IX-XI категорий буримости, что значительно расширяет область применения синтетических алмазов в буровой технике.

На основе научно обоснованной разработанной технологии изготовления алмазного инструмента и определенного механизма взаимодействия алмазного зерна с горной породой, был спроектирован целый ряд буровых коронок для бурения горных пород с различными свойствами. Рекомендации по выбору коронок в зависимости от твердости разбуриваемой горной породы представлены в табл. 9.

Разработанная высокоэффективная, энергосберегающая и экологически чистая технология изготовления алмазных буровых коронок КСК используется в серийном производстве инструмента на электромеханическом заводе (ЭМЗ) г. Лермонтов, Ставропольского края. Основные технические характеристики серийно выпускаемых алмазных буровых коронок приведены в табл. 10. Номенклатурный перечень и технические характеристики серийно выпускаемых на ЭМЗ буровых коронок КСК представлен в приложении 1 диссертации.

СОЗДАНИЕ АЛМАЗНОГО ШЛИФОВАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА Разработана рациональная технология изготовления алмазных шлифовальных головок (ШГК) с использованием крупных прочных шлифпорошков алмаза АРК-4 методом горячего прессования при давлении 1-1,5 ГПа, и определен оптимальный состав связки для алмазоносного слоя. Схема сборки ячейки камеры высокого давления при изготовлении шлифголовок такова, что горячему прессованию

Результаты бурения пород различного типа

Таблица

Режимы бурения Сред-

Содер Осе- Частота няя Средняя Удель-

Тип жание вое вращения прохода механическ ный

Вид и категория горных буровых алма- уси- коронки. а на ая скорость расход

пород коронок зов, лие, об/мин коронку бурения, алмазов,

карат кН ,м м/мин. карат/м

Амфиболитовые и АКСК-59 14.0 34,5 4,2 0,41

биотитовые окварцованные КСКИ-59 17,5 7-12 360-370 8* 2,7 0,44

роговики, песчаники, скарны, 02ИЗ-59 11.2 13,5 2,7 0.83

гранты (1Х-Х1)

Кварцита, гнейсы, сиениты, АКСК-76 19,0 33,6 2,7 0,56

кристаллические сланцы (IX- КСКИ-76 24,0 6-12 280-710 34,8 2,1 0.69

XI) 02ИЗ-76 15,6 15,7 1,7 0,99

Трещиноватые граниты, АКСК-59 14,0 6,25 2,6 2,24

кварциты, 01АЗ-59 7,5 8-13 470-715 2,2 1,4 3,41

мигматизированные гнейсы

(1Х-Х1)

Передотиты, окварцованные АКСК-59 14,0 56,8 3,5 0,25

туфы, габбро диабазы (УШ- КСКИ-59 17,5 8-12 340-780 59,7 3,75 0,29

IX) 01АЗ-59 7,5 18,4 1,9 0.41

х - средняя проходка на коронку КСК-59 до зашлифовки при износе 20%.

Таблица 9

Рекомендации по выбору коронок КСК_

Коронки Шкала буримости (группа твердости)

Мягкие породы Твердые породы Очень твердые породы

V1 VI VII VIII IX X XI XII

3-42 (кальцит) 5 (аметист) 6(полевой шпат) - - 7(кварц) - 8 (топаз), 9 (корунд), 10 (алмаз)

135-163л 360-490 490 - - 560 - 1250

■о о О ? = Каменный уголь, глинистые сланцы, мелкозерни сше известняки, доломиты, мраморы и др. Кремняев ые известняк и, алевроли ты и др. Окремненн ые аргиллиты, окремненны е доломиты, кварцевые песчаники и Др. Гнейс ы, диабаз ы, лабрад ориты идр Кремнист ые породы, окремнен ные туфы идр. Базальты, граниты, крепкие кварцевы е песчаник и и др. Кварциты, крепкие песчаники, кремнистые сланцы. кварцевые порфиры, граниты и др. Дациты. кварцевые конгломерат ы, крепкие вязкие кварциты и ДР

»a^i яяв. i с Однос лойиы е 2-5

7-12

12-30

Импре гаиров анные 30-50

50-90

90-130 II ■■■■ ■■■

ж > 200-250

400-500

Матрица 1 __ ^^ _

II Ш — — —

1 - XII -бальная шкала; 2 - по Моосу;3 - по Кнуппу 1 - матрица имеет твердость 20-25 ед ИКС ( применяется для бурения горных пород средней и высокой твердости, средней абразивное™. II - матрица имеет твердость 20-25 ед. НЯС ( применяется для бурения малоабразнвныь горных лород средней и высокой твердости; ¡11 - матрица имеет твердость 30-35 ед. НЛС (применяется для бурения горных пород средней твердости, высокой абразивности).

Таблица 10

Основные технические характеристики буровых коронок

Раз мер. мм Обозначе ние коронки Диаметр коронки, мм Количест во промыво чных каналов Содержание алмазов, шт/карат Тип матрицы Рекомендуемые режимы бурения

наруж иый внутре нний Одиос лойны е Импрегк ированны е П III Осевая нагрузка на инструмент. кН Частота вращения инструмент а, мин1 Подача промывочной жидкости, м'/час

46 КСТ-Т2 КСК-03 КСК-04 46,3 46,3 46,3 31,7 31,7 31,7 4 4 4 - 12 10 15 1 ■ 1 ■ 8-12 6-8 8-12 1000-1200 1.2-1,8

59 кек-вег КСК-03 КСК-04 59.7 59,7 59,3 36,3 41,7 41,7 4 4 4 15 10 23 12 18 1 1 12-18 8-12 10-15 800-1000 1.5-2,4

76 KCK.NO КСК-03 КСК-04 75,5 76,3 76,3 47.6 57.7 57,7 6 Ь 6 23 15 39 18 28 1 25-30 12-15 15-20 500-600 2,4-3.6

»6 кск-т2 86,4 71,7 6 ч 20 20 30 25 12-18 400-500 1 3-4,2

93 КСК-9 ? 93,4 72,6 6 9 25 40 35 18-22 350-450 3,6-5,4

96 кск-нсг 96,3 63,5 б 50 - 30-35 350-400 3,6-5.4

101 кск-т6 101,4 79 6 9 12 40 50 45 40 20-25 300-350 3,6-6.0

подвергается сразу комплект заготовок шлифовальных головок из шести штук. За один цикл горячего прессования спекается алмазный инструмент с содержанием алмаза в 240 карат. Полученные на операции горячего прессования заготовки шлифголовок подвергали механической обработке для придания им окончательных размеров.

Испытания опытных шлифголовок диаметром 95 мм (ШГК-95), армированных поликристаллическими алмазами АРК-4 зернистостью от 400/315 до 1000/800, с концентрацией от 50 до 100% на металлоке-рамической (никель - твердый сплав ВК15) матрице, проводили на мозаично-шлифовальной машине СО-149 при шлифовании мозаичного пола с мраморным наполнителем возраста семи суток Проектная прочность на сжатие 30 МПа. Для сравнения проводили испытания шлифголовок из поликристаллических алмазов АРВ1 на связке М2-01, производства Полтавского завода искусственных алмазов и алмазного инструмента, и шлифголовок, оснащенных цилиндрическими вставками диаметром 10 мм из композиционного материала "Славутич", производства Института сверхтвердых материалов (ИСМ) г. Киева.

В процессе шлифования мозаичных полов отбирали на исследование пробы шлама. В шламе бетона, обработанного ШГК 95 с АРК-4 1000/800, обнаружены алмазы АРК-4, размером до 500 мкм. В пробах шлама бетона, обработанного шлифголовками ИСМ, максимальный размер алмазов не превышал 200 мкм. Применяемый в шлифголовках композиционный материал "Славутич" состоял из природных алмазов фракции 630/500 и твердого сплава ВК6, твердость матрицы составляла 84-90 ед. HRA.

Анализ поверхности шлифголовок ШГК-95 показал, что связка в процессе шлифования бетона истирается настолько, что алмазы АРК-4 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 ослаблению закрепления алмазного зерна в связке. Не успев сработаться, алмазное зерно выкрашивается из связки. Это подтверждается наличием в шламе крупных частиц алмазов АРК-4. Было установлено, что износостойкости применяемой связки твердостью в 22-25 ед. ГОСэ оказывается недостаточно для сбалансированной работы шлифовальной головки ШГК-95. Для установления влияния свойств алмазных материалов и метода изготовления шлифголовок на их работоспособность были изготовлены ШГК-95 из алмазов АРК-4 2000/1600 и 630/500 и АРСЗ 630/500. ШГК-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 использовали припой, разработанный в настоящей работе. Для сравнения испы-

тывали шлифголовки производства ВНИИАЛМАЗа с алмазами АРСЗ и природными алмазами АЗД на связке М6-01. Технические характеристики шлифголовок приведены в табл. 11.

Таблица 11

Технические характеристики алмазных шлифголовок

Тип, размер инструмента Характеристика инструмента Содержание алмазов, карат

марка алмаза концентрация алмаза, % связка количество штук водной шлиф-головке всего

1. Фреза алмазная торцевая Д= 100мм исп.2 ВНИИАЛМАЗ АРС-3 1250/ 1000 50 М6-01 12 41,4 496,0

2. Фреза алмазная торцевая Д=100ммисп.1 ВНИИАЛМАЗ АРС-3 630/500 50 М6-01 6 14,4 86,4

З.Фреза алмазная торцевая Д= 100мм исп.2 ВНИИАЛМАЗ АРСЗ 630/500 50 М6-01 6 39,6 237,6

4. Фреза алмазная торцевая Д=100 ммисп.1 ВНИИАЛМАЗ АЗД 500/400 50 М6-01 6 14,4 86,4

Шлифголовка ШГК-95 АРС-3 630/500 100 Опыт. 22-25 НЯСэ 6 40 240

6. Шлифголовка ШГК-95 АРК-4 2000/ 1600 100 а а 6 40 240

7.Шлифголовка ШГК-95 АРК-4 630/500 100 а а 6 40 240

Сравнение износостойкости алмазных шлифголовок по эксплуатационным показателям проводили между собой и с традиционными абразивными шлифовальными инструментами из карбида кремния черного К4, твердостью 2, на связке Б по ГОСТ 2424-82. Обработке подвергали мозаичные и полимерцементобетонные материалы с пределом прочности на сжатие менее 60 МПа. Глубина шлифования за один

проход составляла 0,6-1,2 мм, окружная скорость - 0,4-15 м/с, скорость продольной подачи - 2-3 м/мин, удельное давление - 0,1-0,15 МПа, расход воды - 20-30 л/мин. Результаты испытаний представлены в табл. 12.

Таблица 12

Результаты испытаний шлифголовок.

Пло- Режимы Результат! испытаний

Обраба- Порядковый щад ьоб- Скорость Величина съема, мм Энер-гоза-ipa-ты Про- Удельный расход алмазов, ка-рат/м2

тываемый материал номер инструмента работ-ки, м2 ок-руж ная, м/с подача м/мин за один проход суммарная изводи тель-ность, м*/ч

Бетонные поверхности №1 №2 1188 2000 lois 1015 2-3 2-3 0,8 0,20,4 2,5 2,5 1,8 2,8 5,8 5,8 0,23 0,20

Мозаич- №4 1188 1015 2-3 0,8 0,10,2 3,0 1,8 5,4 0,15

ные №5 1200 lois 2-3 3,0 3,0 4,8 0,3

Поли- lo-

мерце- №2 860 is 2-3 1,2 3,5 1,5 4,8 0,31

ментобе- №7 798 10- 2-3 0,1 3,5 3,0 4,6 0,4

тонные 15

Бетонные Абра-

и поли-мерце- зивные голов- 20 4 0,5 0,2 2 3,0 1,2 1шт.

ментные ки К4

Анализ данных, представленных в табл. 12, показал, что производительность шлифования всеми алмазными шлифголовками в 4-5 раз превосходит производительность абразивных головок. Получены наилучшие показатели по удельному расходу алмазов у природных алмазов АЗД и крупных поликристаллов 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 повышенной износостойкостью матрицы. Для проверки этого положения был изготовлен комплект шлифголовок ШГК-95 из алмазов АРК-4 2000/1600 на связке никель - диборид хрома с твердостью 30 НЯСэ. Ис-

пытания шлифголовок проведены при шлифовании мозаичных полов М200 с заполнителем из мраморной крошки. Режимы шлифования соответствовали приведенным ранее. Шлифование проводили до вскрытия заполнителя пола (мраморной крошки). Снимали слой пола толщиной 4-5 мм. Стойкость комплекта шлифовальных головок ШГК-95 2000/1600 до его полного износа составила 7000 м2, стойкость шлифовальных кругов (шарошек) - 16 м2, шлифовальных сегментов 6С - 5 м2. Несмотря на то, что поверхность, обработанная шлифголовками ШГК-95 АРК-4 2000/1600, получается шероховатой и требует подшлифовки шарошками или сегментами, общие затраты на инструмент (с учетом подшлифовки) при расчете на один квадратный метр обработанной поверхности составляют 20 % от стоимости шарошек или сегментов. Опьггные шлифголовки ШГК-95 2000/1600 показали хорошую работоспособность на самой тяжелой стадии шлифования полов - стадии вскрытия фактуры заполнителя.

В настоящее время разработанная технология изготовления шлифголовок ШГК-95 под высоким давлением 1-1,5 ГПа с использованием новой твердой металлокерамической связки и специального разработанного припоя, внедрена в опытном производстве ИФВД РАН, на заводе ЭМЗ в г. Лермонтов, Ставропольского края, ТЗАИ, Мое. обл. Номенклатурный перечень выпускаемых на ЭМЗ шлифголовок ШГК-95 представлен в приложении №2 диссертации.

Разработанная технология изготовления алмазного инструмента широко применяется также и при изготовлении алмазного отрезного и сверлильного инструмента. При изготовлении отрезного и сверлильного камнеразрушающего инструмента разработанные износостойкие связки позволяют заменить дорогостоящие кобальтовые связки без снижения стойкости и производительности инструмента.

Выводы.

1. Проведенный термодинамический анализ и экспериментальное исследование влияния высокого давления на температуру разупрочнения различных алмазных материалов позволили установить, что повышение давления приводит к росту температуры разупрочнения алмазов, особенно поликристаллических, что связано с наличием в них металлических примесей.

2.Установленные термодинамически и экспериментально закономерности позволили определить условия спекания различных алмазосодержащих материалов при высоких давлениях и температурах с учетом их термостойкости.

3. В результате проведенных исследований разработан класс безвольфрамовых связок для изготовления алмазного камнеразрушаю-

щего инструмента в условиях высоких давлений, а также комплексный метод оценки механических свойств и абразивной стойкости связок алмазного инструмента, что позволило сформулировать требования к ним при создании нового высокоэффективного алмазного инструмента с заданными характеристиками.

4. Разработана методика определения давления и проведено изучение его распределения в КВД, проведен расчет температурных градиентов в реакционной зоне КВД. Это позволило определить оптимальные давления и температуры для изготовления алмазного инструмента, позволяющие сохранять прочностные свойства алмазов АРК-4 и получать матрицы алмазного инструмента с требуемыми свойствами.

5. Разработанная модель взаимодействия алмазного зерна со связкой позволила раскрыть механизм его закрепления в матрице алмазного инструмента, который заключается в том, что применение высоких давлений приводит кроме адгезионного закрепления алмазного зерна и к дополнительному механическому его закреплению за счет высокого различия в значениях коэффициентов термического расширения алмазного зерна и металлокерамической связки.

6. Для изготовления алмазного инструмента под высоким давлением разработаны и изготовлены уникальные стальные КВД: многослойные - до 1,5 ГПа и с намоткой стальной ленты до - 2,5 ГПа, которые прошли экспериментальную проверку в опытном и серийном производстве и показали высокие эксплуатационные характеристики.

7. На основании установленных закономерностей по влиянию давления на свойства алмазов, разработанных связок и условий их спекания создана технология серийного изготовления алмазного инструмента при высоких давлениях с применением серийного прессового оборудования, включающая в себя подготовку шихтующих материалов, сборку ячейки камеры высокого давления (КВД), спекание под давлением, транспортировку КВД 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 У1-Х категорий буримости и технологии для его изготовления с применением высоких давлений. Промышленные испытания инструмента, изготовленного с АРК-4 и применением высоких давлений, показали высокую эффективность применения алмазов АРК-4 для бурового инструмента и его конкурентоспособность по всему комплексу характеристик с лучшими мировыми аналогами.

9. Разработанная модель взаимодействия алмазного зерна с горными породами позволила установить механизм разрушения горных пород алмазным инструментом, который заключается в том, что на первой стадии мелкие острые алмазы производят предварительное пред-

разрушение горной породы и создают в ней зародышевые трещины, дальнейшее разрушение породы осуществляется крупными и прочными алмазами АРК-4. Это позволило разработать высокоэффективную буровую коронку с комбинированным применением крупных износостойких АРК-4 и мелких алмазных шлифпорошков.

10. Разработаны конструкции и технологии изготовления шлифовальных головок ШГК из алмазов АРК-4 под высоким давлением. Промышленные испытания показали их высокую эксплуатационную эффективность, в том числе и на самой трудной стадии начального шлифования - вскрытии бетонных полов с твердым наполнителем.

11. Разработанные высокоэффективные, энергосберегающие и экологически чистые технологии серийного изготовления при высоких давлениях буровых коронок, шлифовального и отрезного алмазных инструментов, с применением нового класса безвольфрамовых связок и припаечных материалов, внедрены на ЭМЗ, г. Лермонтов; ТЗАИ, Московской обл.; опытном заводе ВИТР, г. С-Петербург, опытном производстве ИФВД РАН.

12. В отчете о деятельности Российской Академии наук в 2002 году, в разделе важнейшие достижения Российской Академии наук, настоящая работа признана завершенной и рекомендована к широкому промышленному внедрению.

Основные результаты работы опубликованы :

1. A.C. № 650759. (СССР) Припой для пайки металлокерамиче-ской алмазоносной матрицы со стальным корпусом инструмента. /Бугаков В.И., Довбня A.B., Коняев Ю.С. 1979.

2. A.C. № 730473. (СССР) Способ изготовления сборного алмазного инструмента. /Довбня A.B., Коняев Ю.С., Орлов В.И., Бугаков В.И. 1980.

3. A.C. № 667066. (СССР) Алмазный композиционный материал. /Бугаков В.И.,Калашников Я. А., Коняев Ю.С., Свинтицких В.Е. 2000.

4. Довбня A.B., Бугаков В.И., Коняев Ю.С. Импрегнированные коронки для геологоразведочного бурения горных пород. //Алмазы и сверхтвердые материалы. -1979. № 1. - С.5-6.

5. Довбня A.B., 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 РФ № 853905 Припой для пайки алмазоносной матрицы со стальным корпусом инструмента. /Бугаков В.И., ДовбняА.В. 1993.

7. A.C. № 984062. (СССР) Электронагреватель для камер высокого давления и способ его изготовления./Довбня A.B., Бугаков В.И. 1982.

8. A.C. № 1167840. (СССР) Связка для изготовления абразивного инструмента. /Бугаков В.И., Довбня A.B., Кривоспицкий В.М. и др. 1999.

9. A.C. № 1379511. (СССР) Узел трения скольжения. /Довбня

A.B., Бугаков В.И., Яковлев E.H. и др. 1988.

10. A.C. № 1349103. (СССР) Камера высокого давления для горячего квазигидростатического прессования изделий. /Довбня A.B., Бугаков В.И., Коняев Ю.С., Чопоров А.Я. 1999.

11. A.C. № 1600364. (СССР) Связка для изготовления алмазного инструмента. /Бугаков В.И., Довбня A.B., Коняев Ю.С. 1999.

12. A.C. № 1707180. (СССР) Алмазная буровая коронка. /Орлов

B.И., Бугаков В.И., Довбня A.B. 1992.

13. A.C. № 1781412. (РФ) Алмазная буровая коронка. /Орлов В.И., Бугаков В.И., Довбня A.B. 1994.

14. Патент РФ № 1192955. Способ изготовления алмазного инструмента. /Бугаков В.И., Довбня A.B., Коняев Ю.С. 1985.

15.Патент РФ № 2063842. Способ получения алмазосодержащих элементов/ Бугаков В.И, Довбня A.B. 1996.

16. Бугаков В.И., Коняев Ю.С. Композиционный материал на основе алмаза и борокарбида кобальта. //Ежегодник ИФВД. Сб. тр. -1995.Т.З - С.85.

17. Бугаков В.И., Елютин A.B., Караваев K.M., Лаптев А.И., По-лушин Н.И. Свойства связок алмазного камнеразрушающего инструмента. //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. -1998. №4. - С. 54-57.

18. Бугаков В.И., Елютин A.B., Караваев КМ., Лаптев А.И., По-лушин Н.И. Новый тип связок на основе никеля, легированного дибо-ридами титана и хрома, для алмазного камнеразрушающего инструмента. //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. - 1998. №5. - С. 61-68.

19. Бугаков В.И., Коняев Ю.С. Высокоэффективный алмазный инструмент, изготовленный по оригинальной технологии с применением высоких давлений и температур, новых связок и алмазных материалов. //Сверхтвердые материалы. - 2001. № 6. - С. 23-27.

20. Бугаков В.И., Коняев Ю.С. Буровые коронки из синтетических поликристаллических 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 международной конференции,- Киев, ИСМ им. В.Н. Бакуля HAH Украины, 2002.№5. - С. 25-26.

21. Бугаков В.И., А А Поздняков, М.Д. Шалимов и др. Влияние исходной пористой структуры графитов на процесс кристаллизации алмаза Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент -

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 величины давления в объеме камеры типа "цилиндр-поршень" до 1,5 ГПа. Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его применения: Сб. науч. тр./Киев,ИСМ,2003.№б.-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 распределение в камере высокого давления при изготовлении алмазосодержащих элементов. //Изв. ВУЗов. Цветаая металлургия. - 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 Mechanically Alloyed А1/ Al-Cu-Fe Composites" //4th Internationally Conference 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., Сорокин М.Н. Методика оценки износостойкости связок алмазного инструмента. //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. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технологии его применения: Сб. науч. тр. //Киев, ИСМ им . В.Н. Бакуля,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 материалов и технологии его применения. Сб. науч. тр.// Киев, ИСМим. В.Н. Бакуля, ИПЦ, АЛКОН НАНУ, 2005.№8.-С. 142-144.

29. Бугаков В.И., Ермолаев АА., Лаптев А.И. Методика определения термостойкости алмазных порошков под давлением. // Материаловедение.- 2005. №9.-С. 12-15.

30. Бугаков В.И. Влияние нагрева под давлением на прочность алмазных порошков. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технологии его применения. Сб. науч. тр.// Киев, ИСМ им. В Н. Бакуля, ИПЦ, АЛКОН НАНУ, 2005.№8.-С. 145-148

31. Бугаков В.И. Термостойкость алмазных материалов. //Изв. ВУЗов. Цветная металлургия.- 2005. №5.

е^-ч яв

кгк т? 101

J

КГИ ТР 101

Заказ № 1077 ИНН 7726330900.

Тираж: 100 экз. ООО «11-й ФОРМАТ»

Принято к йен. 28.09.2005 ист. 29.09.2005

8 7 88

РНБ Русский фонд

2006-4

КСК N0

Введение

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

2. СВОЙСТВА АЛМАЗОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ КАМНЕОБРАБОТКЕ И В БУРОВОЙ ТЕХНИКЕ

2.1. Классификация алмазного сырья по существующим нормативным документам

2.2. Методы испытания физико-механических свойств алмазных моно- и поликристаллов

2.3. Физико-химические и механические свойства природных и синтетических алмазов

2.3.1. Твердость алмазов

2.3.2. Износостойкость алмазов

2.3.3. Прочность алмазов

2.4. Влияние термообработки на механические свойства алмазов

2.5. Влияние давления на термостойкость алмаза

3. РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОГО КАМНЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ВЫСОКОМ ДАВЛЕНИИ

3.1. Существующие технологии изготовления алмазосодержащих элементов камнеразрушающего инструмента

3.2. Аппаратура для создания высокого давления

3.2.1. Расчет контейнера высокого давления до 1,5 ГПа

3.2.2. Расчет контейнера высокого давления на 1,5-2,5 ГПа

3.3. Требования к связкам алмазного инструмента и методы их испытания

3.3.1. Методы измерения усилия удержания связками алмазного зерна

3.3.2. Методы повышения усилия удержания связками алмазного зерна

3.3.3.Физико-химические процессы взаимодействия алмаза с металлами и сплавами и их влияние на усилие удержания алмазного зерна в связке инструмента

3.3.3.1. Общие закономерности смачивания и адгезии к алмазу

3.3.3.2. Физико-химическое взаимодействие компонентов при изготовлении алмазосодержащего инструмента с использованием связок на основе никель-диборид титана (хрома) 121 3.4. Методы измерения и повышения абразивной стойкости связок алмазного инструмента

4. Свойства связок алмазного камнеразрушающего инструмента

4.1. Свойства связок на основе твердого сплава и влияние на них условий изготовления инструмента

4.2. Составы и свойства связок алмазного камнережущего инструмента 149 4.3 Составы и свойства связок алмазного бурового инструмента 159 4.4. Влияние физико-химических, механических, эксплуатационных свойств связок на износостойкость алмазного инструмента

5. Разработка новых связок алмазного камнеразрушающего инструмента, изготавливаемого при давления до 2,5 ГПа

5.1. Диаграммы состояния и свойства сплавов железа и никеля с диборидом хрома и титана

5.2.Свойства связок алмазного камнеразрушающего инструмента, изготавливае мого при давлениях до 1,5 ГПа

5.3. Разработка припоя на основе новых связок алмазного камнеразрушающего инструмента, изготавливаемого при давлениях до 2,5 ГПа

6. Разработка бурового алмазного инструмента

6.1. Особенности процесса бурения алмазосодержащим инструментом и возможности применения его для различных геологических условий

6.2. Изучение процесса взаимодействия алмаза с породой и разработка высокоэффективной коронки для геологоразведочного бурения горных пород с применением алмазов АСПК.

6.3. Производственные испытания буровых коронок, оснащенных синтетически ми поликристаллическими алмазами типа АСПК

6.3.1. Испытания на Средне-Орловской ГРЭ.

6.3.2. Испытания на Олевской ГРЭ Житомирской экспедиции

6.3.3. Испытания на Трудовской ГРЭ треста "Артемгеология"

6.4. Разработка аппаратуры и технологии изготовления буровых долот с применением алмазов АСПК

7. Разработка камнеразрушающего инструмента 266 7.1. Применение метода горячего прессования при высоком давлении

1,0-1,5 ГПа для изготовления алмазосодержащих элементов инструмента, предназначенного для распиловки природного камня

7.2. Применение метода горячего прессования при высоком давлении 1,0-1,5 ГПа для изготовления эффективного алмазосодержащего инструмента для шлифования бетона и других строительных материалов

7.3. Применение метода горячего прессования при высоком давлении 1,0-1,5 ГПа для изготовления алмазосодержащих инструментов для сверления бетона и горных пород

8. Выводы

9. Литература

В процессе своей жизнедеятельности человек постоянно взаимодействует с горными породами и строительными материалами. При этом алмазный инструмент, в основном, используют для бурения горных пород с целью извлечения полезных ископаемых или создания карт геологических разрезов земной коры, разработки самих горных пород при использовании их в стройиндустрии и для обработки строительных материалов.

Суммарный запас горных пород, годных для строительства, в странах СНГ составляет более миллиарда кубометров горной массы [1]: 31,3% (423 млн.м3) -граниты и гранидиориты; 24,5% (400 млн.м3) - мрамора и мраморизованные известняки. Остальные представлены туфами, тешенитами, габбро, кварцитами и т.д. Анализ структуры себестоимости их обработки показывает, что наиболее дорогой операцией является процесс распиловки на плиты и бруски (40-45% общих затрат). На долю фактурной обработки приходится 25-35%, окантовки - до 10% общих затрат; стоимость исходного сырья занимает в себестоимости 20-25% [2]. Технологическая схема как изготовления облицовочных изделий из природного камня, так и проведения буровых работ предполагает наибольшие резервы интенсификации производства и снижения себестоимости прежде всего на первичной операции разрушения камня, которую в настоящее время невозможно представить без применения алмазного инструмента.

Алмазный инструмент состоит из стального корпуса и алмазосодержащего слоя, который можно рассматривать как композиционный материал, где одним из компонентов является металлическая матрица (связка), а другим - (зерна алмаза), равномерно распределенные в ней в виде включений.

В настоящее время для разработки горных пород и строительных материалов применяется широкий перечень алмазного инструмента. В буровой технике это коронки, долота и расширители. В зависимости от назначения буровые коронки могут быть однослойными, многослойными, импрегнированными с различным содержанием алмазов. Прогрессивные методы порошковой металлургии нашли большое применение в технологии изготовления алмазного инструмента и закрепления алмазов в их матричном слое. Разработка новых видов алмазных материалов требует совершенствования существующих конструкций алмазных инструментов, разработки новых материалов для матриц новых типов инструментов.

Работы в области физики высоких давлений привели к осуществлению процесса синтеза алмазов и созданию их промышленного производства в США, Швеции и позднее в других странах. В СССР первые синтетические алмазы были получены коллективом ученых под руководством академика Верещагина Л.Ф. в начале 60-х годов XX века. Выдающимся достижением Советской науки является осуществленный впервые в мире синтез алмазных поликристаллов типа "баллас", а позднее и поликристаллов типа "карбонадо". Производство синтетических монокристаллов алмаза и, особенно, поликристаллических алмазных материалов позволило решить проблему дефицитности алмазного сырья различной крупности. Несмотря на невысокую, особенно по сравнению с природными алмазами, термостойкость, применение высокопрочных марок синтетических монокристаллов алмаза и шлифпорошков АРК4 из поликристаллов АСПК по комплексу физических и механических свойств перспективно для изготовления камнеразрушающего инструмента. Технология изготовления АРК4 позволяет получать относительно недорогой алмазный шлифпорошок крупных размеров (до 2,5 мм), способный работать в алмазном инструменте при повышенных нагрузках. Широкое применение шлифпорошка АРК4 ограничено дополнительными требованиями к технологии изготовления инструмента. Температура и условия спекания его не должны приводить к потере алмазами своих прочностных свойств, матрица алмазного инструмента должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать повышенные нагрузки при работе алмазного инструмента.

Традиционная технология изготовления алмазного камнеразрушающего инструмента из природных алмазов требует применения вольфрамосодержащих твердых сплавов, спекания при высоких температурах (до 1250 °С) в течение длительного времени. При этих условиях происходит образование прочной и износостойкой матрицы алмазного инструмента. Недостаточная термостойкость не позволяет применять алмазы АСПК при использовании таких технологических режимов. Кроме того, вольфрамосодержащие твердые сплавы представляют собой остродефицитный и дорогостоящий конструкционный материал. Поэтому Президиумом Академии Наук СССР перед ИФВД АН СССР была поставлена задача создания технологии изготовления алмазного инструмента, которая позволила бы сохранять высокие механические свойства алмазов АСПК и использовать безвольфрамовые связки для его изготовления. Проведенные нами исследования показали, что термостойкость алмазов АСПК возрастает при повышении давления, поэтому становится возможным использовать повышенные температуры при спекании. Процесс спекания при наложении высокого давления идет более интенсивно и приводит к повышению прочностных свойств матрицы.

Для осуществления поставленной проблемы на базе опытного производства ИФВД РАН нами были решены следующие задачи:

1. Разработаны и созданы уникальные камеры высокого давления (КВД), позволяющие вести процесс спекания в больших объемах при давлениях до 2,5 ГПа и температурах до 1200 °С.

2. Проведены исследования и создан ряд безвольфрамовых связок алмазного инструмента с высокими эксплуатационными свойствами.

3. Разработаны новые конструкции различного алмазного инструмента и определены технологические режимы его эксплуатации.

4. Разработаны и внедрены технологии изготовления алмазного инструмента различного назначения.

Настоящая работа посвящена установлению закономерностей процессов получения эффективного камнеразрушающего инструмента и технологии его изготовления, использованию новых типов конструкций инструмента, новых типов связок и высокопрочных моно- и поликристаллов алмаза на основе достижений техники высокого давления. Основой технологий изготовления алмазного инструмента являлось спекание алмазосодержащего слоя под давлением до 1,5 ГПа. В диссертации описаны свойства горных пород и свойства алмазных материалов, применяемых для их разрушения; влияние термобарической обработки на свойства алмазов; результаты исследования по влиянию спекания под давлением до 1,5 ГПа на механические свойства матричных сплавов; результаты исследования по влиянию составов припоев на прочность спая матрица - корпус алмазного инструмента; разработанные конструкции алмазного камнеразрушающего инструмента; разработанные технологии изготовления алмазного камнеразрушающего инструмента, в том числе, включающие совместное применение высокопрочных крупных шлифпорошков алмаза АРК4 и мелких синтетических алмазных монокристаллов с процессами постадийной грануляции; установленные закономерности по влиянию характеристик связок, свойств и содержания алмазов на работоспособность алмазного инструмента при бурении и резании горных пород, шлифовании и сверлении строительных материалов, результаты промышленных испытаний алмазного инструмента.

Работа выполнена в Институте Физики высоких давлений РАН, металлографические, рентгенографические и рентгеноструктурные исследования, механические испытания связок алмазного инструмента проводились на кафедре Высокотемпературных материалов Московского института стали и сплавов, разработка конструкций буровых коронок и их испытания проводились совместно с ВИТРом. Разработанные технологии изготовления буровых коронок, шлифовального и отрезного алмазного инструмента были внедрены на опытном производстве ИФВД РАН, ЭМЗ г. Лермонтов, ТЗАИ Московской обл., опытном заводе ВИТ-Ра. Алмазосодержащие инструменты, изготовленные по разработанной технологии, находят широкое применение при обработке природного камня и строительных материалов в горнорудной и строительной промышленности.

В отчете о деятельности Российской академии наук в 2002 году, принятом на общем собрании академии в марте 2003 года, настоящая работа признана достижением РАН в области материаловедения, особенно в части замены остродефицитных и дорогостоящих вольфрамосодержащих твердых сплавов, актуальной и рекомендована к широкому промышленному внедрению.

Анализируя результаты испытаний приведенных в таблице можно сделать следующие выводы:

1.Ресурс алмазных сверл изготовленных в ИФВД РАН выше зарубежных на 30%.

2. Производительность сверл ИФВД РАН выше не менее чем на 10%,

3. Стоимость связки для изготовления одного сегмента на основе кобальта дороже,чем разработанных в ИФВД РАН связок на 1,6-1,8тысяч рублей. Комиссия положительно оценивает сверла, изготовленные в ИФВД РАН, и

считает, что разработанные новые связки полностью заменяют дорогостоящие кобальтовые связки для данных целей.

Члены комиссии:

Д.К.Климашев В.Н.Есипов Э.А.Кемниц А.А.Антанович

ПРАВИТЕЛЬСТВО МОСКВЫ ДЕПАРТАМЕНТ СТРОИТЕЛЬСТВА

103009 Москва уд. БЕЛИНСКОф. лим 5 л

Телефоны: 956-69-77, 956-69-78

Генеральному директору фирмы. Моспромстронкошлект

Галкину В.В.

Генеральному директору ¡^ирмы МосшштромстроЁкомплект

йртуганову Ш.М.

Директору фирмы iviocGTpoiäcHaö-1 Критарасову A.A.

Директору объединения ¡.¿соспедшглплект Корнееву B.C.

Управляющему трестой Ьюспромотрож-снабкомгогект

ЙЕерыюву А.И.

Копия : й.о* Директора Института физики высоких давлений

Стишову С.М.

В Правительство Москвы обратился институт физики высоких давяо-них им.Верещагина с предложением своих услуг по поставкам алмазных строительных сверл диаметром от 30 до 500 ш. Проашшленные испита -¡■шя алмазных сверл показывают их полнута конкурентноспособность с лучшими аналогами западных фирм. Испытания инструмента проводились в АО" тресте Мосстрой-£" на объекте "детским приют". Наличие производственной базы в институте позволяет изготавливать инструмент по заказам потребителей.

Выявленную потребность прощу Вас направит.:. институт ы 142092, г.Троицк, Московской оол. ;ч тол. 334-0о-с2 ^ипяог. ;

о&местителъ руководителе ^

Российская Академия наук

Институт Физики Высоких Давлений им. Л.Ф.Верещагина

Е3142190 Троицк Моск.обл. Ятел. (095)334-0582 &факс (095)334-0012 еЭс-шаЛ: «HPP@HPPI.TROITSK.RU.»

В целях создания условий для внедрения в промышленность страны новейших достижений в области изготовления различных видов высокоэффективных бурового и камне-обрабатывающего алмазных инструментов по оригинальным технологическим процессам, разработанных сотрудником института В.И. Бугаковым, не имеющих мировых аналогов и успешно прошедших лабораторные испытания, в институте в1985 году создан в составе опытного производства научно-технологический участок по производству алмазного инструмента.

Задача участка состоит в изготовлении опытных образцов, их стендовых испытаниях, выпуск мелких серий инструмента для проведения промышленных и приемочных испытаний, для выполнения х/договоров и контрактов на поставку инструментов, оказание научно-технической помощи предприятиям, внедряющим разработанные автором технологические процессы изготовления алмазных инструментов при высоких давлениях (до 1.5 ГПа) с применением безвольфрамовых связок нового класса, припаечной композиции и в разработке новых конструкций бурового и камнеобрабатывающего алмазных инструментов. От начала выпуска алмазного инструмента по новой технологии, при активном участии автора Бугако-ва В.И., ведется совершенствование технологического процесса и внедрение новых созданных связок для изготовления эффективного, конкурентоспособного алмазного инструмента.

На производственно-технологическом участке, за прошедший период изготовлен ( без учета опытных образцов) и отправлен по х/договорам потребителям в нашей стране и по контрактам через В/О «Машиноэкспорт» в зарубежные страны (Китай, Франция, Болгария, Румыния, Чехословакия, Куба) новый алмазный инструмент:

1. Буровые коронки КСК-59, КСК-76 КСК-86, КСК-101, КСК-ЫО и КСК-Нр - 9,8 т. шт.

2. Алмазные шлифовальные головки ШГК-95 - 4,3 т.шт.

3. Алмазосодержащие элементы для камнеобработки - 8,2 т. шт.

4. Алмазосодержащие сегменты для строительных сверл - 8,6 т.шт.

5. Алмазосодержащие заготовки для волок - 0,9 т. шт. 5. Специальный алмазосодержащий инструмент - 1.2 т. шт.