автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка безвольфрамовых твердых сплавов системы (Ti, Cr)B2-FeMn-FeV для высокоизносостойкого бурового инструмента

На правах рукописи

Попов Павел Владимирович

РАЗРАБОТКА БЕЗВОЛЬФРАМОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ (ТцСг)В2 - РеМп - ЕеУ ДЛЯ ВЫСОКОИЗНОСОСТОЙКОГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации яа соискание ученой степени /1 кандидата технических наук / I/

Волгоград - 2004

Работа выполнена в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

ШАПОЧКИН Василий Иванович, кандидат технических наук, доцент, ГУРЕВИЧ Леонид Моисеевич.

Ведущая организация: ОАО «Буммаш», г. Ижевск.

Защита состоится «|Д» 2004 г. в 10.00 на заседании дис-

сертационного совета Д 212.28.02 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

ОРЕ11ЖИН Владимир Дмитриевич.

209.

Автореферат диссертации разослан « 11» 2004

г.

диссертационного совета

Ученый секретарь

Кузьмин С.В.

3 93652

3

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Актуальность. Обзор имеющейся за последние годы периодической и патентной отечественной и зарубежной литературы свидетельствует о малом количестве работ, связанных с созданием твердых сплавов на основе карбоборидов, хотя в настоящее время все большее применение в машиностроении, а именно в буровой технике, находят безвольфрамовые и маловольфрамовые твердые сплавы (БВТС) как альтернатива дорогим и дефицитным вольфрамсодержа-щим керметам. Около 40 % режущих инструментов в Японии и 10 % в Европе изготавливаются из БВТС на основе карбида и карбонитрида титана с никель-кобальтовой связкой. Большой вклад в создание и исследование твердых сплавов на основе карбоборидов внесли: Самсонов Г.В., Андриевский P.A., Анциферов В.Н., Густов Ю.И., Еременко В.Н., Иванова B.C., Искольдский И.И., Киффер Р., Ковальченко М.С., Ляхович JI.C., Найдич Ю.В., Орешкин В.Д., Па-насюк А.Д., Портной К.И, Рудаков Ю.Ф., Савицкий Е.М., Серебрякова Т.И., Уманский Я.С., Францевич И.Н.

Безвольфрамовые твердые сплавы относятся к широкому классу материалов, условно определенному как керметы. Они представляют собой основу (матрицу) с диспергированными частицами другого материала. Основу матрицы составляют металлы: Ni, Со, Мо или сплавы на их основе. Твердая фаза образуется карбидами, боридами, нитридами.

Принцип работы в условиях абразивного износа в большинстве случаев сводится к выкрашиванию твердых частиц из матрицы из-за сочетания разнородных по форме и свойствам материалов, а неоднородность напряженного состояния вызывает возникновение поворотных моментов и концентраторов напряжений. Выкрашивание твердых частиц не позволяет реализовать высокую износостойкость твердых сплавов в целом.

Решение проблемы создания надежных и эффективных изделий на основе твердых сплавов, имеющих заданные физико-механические и эксплуатационные свойства, достигается путем разработки материала, в котором твердые частицы могут деформироваться без нарушения сплошности материала. Этого можно добиться измельчением твердых частиц и созданием матрицы с высокими прочностными и упругими свойствами. Благодаря высоким физико-механическим свойствам в качестве матрицы перспективно применение ферросплавов, содержащих марганец и ванадий, а твердой фазы - двойной борид титана-хрома. Такой кермет можно получить по технологии твердофазного спекания в вакууме.

В связи с этим исследование процессов высокотемпературного и твердофазного взаимодействия в системе FeMn-FeV-(Ti,Cr)B2 представляет значительный научный и практический интерес.

Цель и задачи исследования. Цель работы - создание состава и технологии изготовления нового безвольфрамового твердого сплава системы (Т1,Сг)В2-РеМп-РеУ, обладающего высокой износостойкостью сопоставимой со сплавами марки ВК.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- Проанализировать существующие теоретические основы создания безвольфрамовых твердых сплавов и обоснование выбора материалов для буровой техники;

- определить технологические режимы прессования и спекания порошковых материалов композиций (Тл,Сг)В2 - РеМп - РеУ, обеспечивающие оптимальные свойства;

- изучить структуру, физико - механические и износостойкие свойства материалов (Т),Сг)В2 - РеМп - РеУ;

- изучить механизм разрушения твердого сплава методом оценки временных характеристик разрушения;

- оценить экономическую и техническую эффективность применения разработанного твердого сплава и внедрить его на ряде машиностроительных предприятий.

Научная новизна работы: Теоретически обоснована возможность создания твердого сплава системы (П,Сг)В2-РеМп-РеУ с матрицей, обладающей высокими прочностными, упругими и демпфирующими свойствами и позволяющей зернам деформироваться в автономном режиме без нарушения сплошности.

Выявлена зависимость между усадками и температурой спекания. Показано, что увеличение температуры выше 1100 °С приводит к изменению кинетики процесса усадок.

Установлено, что для износостойкого сплава системы СП,Сг)В2-РеМп-РеУ характерна временная зависимость прочности. Доказано, что при заданном напряжении прочность зависит от длительности пребывания материала в напряженном состоянии.

Показано, что повышение прочности твердого сплава при увеличении содержания (Т1,Сг)В2 в исходной шихте связано с ростом энергии активации разрушения, высокие значения которой свидетельствуют о разрушении путем разрыва межатомных связей.

Практическая ценность: Проведенные исследования позволили определить оптимальный состав твердого сплава системы (Т1,Сг)В2 - РеМп - РеУ содержащего 40% (Т1,Сг)В2. Сплав обладает минимальной линейной скоростью износа, сопоставимой с ВК4.

Применение сплава системы ("П,Сг)В2 - РеМп - РеУ позволило снизить температуру спекания твердых сплавов на 200...250 °С по сравнению с вольф-

рамсодержащими на кобальтовой связке при сопоставимой износостойкости, что позволило технологически удешевить процесс изготовления изделий.

Разработанные научно обоснованные практические рекомендации и технологические процессы изготовления нового твердого износостойкого сплава внедрены на Ижевском заводе ОАО «Буммаш», ФГУП «Ревтруд» и ФГУП 03 «Тамбоваппарат». Экономический эффект от внедрения твердого сплава системы (Т1,Сг)В2 - РеМп - РеУ при бурении плотных в различной степени известковых глин на глубину около 500 м составил 120 ООО руб. на одну буровую установку.

Доля автора составляет 40 %. Акты о внедрении приложены к диссертации.

Достоверность результатов обеспечена применением современного компьютеризированного оборудования с использованием новейших методик рент-генофазового, микроструктурного и микрорентгеноспектрального анализов.

Теоретические разработки основаны на научных положениях и законах современного материаловедения, физики твердого тела, кристаллофизики, кристаллохимии, порошковой металлургии, математической статистики, математического и физического моделирования.

Достоверность подтверждается согласованностью результатов с современными представлениями материаловедения.

Апробация работы: Результаты исследований докладывались на на> "ных конференциях: VII Московской межвузовской научно-технической конференции студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины и робототехнические комплексы» (Москва, МИИТ, 2003 г.); ни УШ международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, ПГУ, 2003 г.); на XV международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003 г.); на международной конференции «Строительство, материаловедение, машиностроение» (Днепропетровск, ПГАСА, 2003 г.); на ХШ Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Калуга, 2004 г.); на межкафедральных научных семинарах (Волгоград, ВГТУ, 2004 г. и ВолгГАСУ, 2004 г.).

Публикации; По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 115 наименований и 3 приложения. Работа изложена на 124 страницах текста, иллюстрирована 48 рисунками, имеет 44 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности и практической значимости проводимых исследований. Сформулирована цель работы, намечены

этапы исследования, определены вопросы, выносящиеся на защиту; дана общая характеристика содержания диссертации по главам.

В первой главе проведен анализ научно-технических предпосылок разработки безвольфрамовых твердых сплавов, имеющих необходимые свойства для работы в условиях абразивного износа. Рассмотрены существующие представления и принципы создания таких сплавов. Особое внимание уделено принципу выбора матрицы (связки). Выделены основные направления создания безвольфрамовых твердых сплавов.

Отмечено, что в настоящее время промышленностью освоен выпуск твердых сплавов с содержанием связки до 20 %. Дальнейшее уменьшение связки приводит к интенсивному выкрашиванию твердых частиц, а следовательно, к снижению абразивной износостойкости. Это связано, возможно, с низкими прочностными и демпфирующими свойствами связки, состоящей из кобальта или никеля.

Анализ научной литературы, патентных источников, опыта научно - исследовательских организаций и промышленных предприятий указывает на актуальность создания и применения новых тугоплавких высокоизносостойких твердых сплавов. Этот анализ и опыт позволили выявить существующие недостатки и противоречия в области разработок твердых сплавов, что и определило задачи настоящей работы.

В настоящее время для обеспечения высокой износостойкости применяются твердые сплавы ВК8, ВК11, ВК12КС, ВК13. Их высокая стойкость к изнашиванию обеспечивается твердостью частиц карбида вольфрама и большой прочностью сцепления с матрицей. Однако такие сплавы имеют высокую стоимость и дефицитность исходных компонентов. Предполагается, что замена карбида вольфрама на двойной борид титапа - хрома, имеющего приблизительно одинаковые физико-механические свойства, и кобальта на ферросплавы марганца и ванадия позволит получить новый высокоизносостойкий твердый сплав с более низкой себестоимостью.

Во второй главе рассмотрены методики исследований, применяемые материалы и оборудование. Средняя плотность, пористость и другие физико-механические свойства сплавов определялись по соответствующим на эти испытания ГОСТам РФ и общепринятым методикам.

В качестве исходных материалов использовались: двойной борид титана-хрома (Торезский завод твердых сплавов и институт проблем материаловедения HAH Украины), ферромарганец и феррованадий (ИСОЦНИИЧМ). Исходные порошки подвергались отжигу в вакууме для гомогенизации состава и удаления примесей. Порошок (Ti,Cr)B2 отжигался при температуре 1900 °С в течение 2 ч; FeMn при температуре 500 °С; FeV при температуре 700 °С в течете 1,5 ч. Перемешивание шихты осуществлялось в среде этилового спирта в аппарате с вихревым слоем ABC П/100 № 2. Спекание прессованных образцов

проводили в камере вакуумной печи СНВЭ 2Д2/16И1 в ишервале температур 1000 - 1350 °С; при каждой температуре спекалось пять образцов. Значения радиальной и аксиальной усадок, пористости определялись по известной методике как среднее по результатам трех измерений каждого образца. Врем изотермической выдержки было от 20 до 80 мин с интервалом 20 минут; вакуум 5-10 Иа поддерживался постоянным.

Испытание опытных материалов на сжатие проводились на образцах размерами 4x5x7 мм. Количество образцов для одноименного испытания было пять, после чего вычислялось среднее значение.

Испытания на абразивный износ опытных материалов проводились на установке МГСУ - ТМ с применением абразива - карборунда. Размеры образцов 14x18x8 мм, время испытания - 5 минут. Абсолютная линейная величина износа определялась методом микрометрирования лунки, образующейся на поверхности образца.

Измерение твердости проводилось на твердомере Роквелла типа ТК по шкале А согласно ГОСТ 9013-59. Микротвердость определяли на приборе ПМТ - 3 при нагрузках 0,49 и 0,98 Н по ГОСТ 9450-76.

Временные характеристики разрушения определялись экспериментально методом ступенчатого нагружения образцов. В партии испытывалось 28 образцов. Размеры образцов составляли 4x3x42 мм. Кинетические параметры разрушения рассчитывались с использованием релаксационной модели. Испытания проводились на четырехточечпый изгиб (расстояние между опорами равнялось 38 мм) при ступенчатом нагружении образцов (выдержка на ступени при постоянной нагрузке - 900 с; величина ступени Ас? =7 МПа). Регистрировались напряжения разрушения и время до разрушения на каждой ступени.

В исследованиях использовалось современное компьютеризированное оборудование: рентгеновский дифрактометр Л)Х-10 РА, растровые электронные микроскопы - микроанализаторы САМЕВАХ (Франция, США), САМЭКАЫ (Великобритания).

Третья глава посвящена выбору режимов прессования и спекания системы (Т1,Сг)В2-РеМп-РеУ, исследованию структуры и физико-механических свойств.

На основании выдвинутой гипотезы для создания и исследования выбран сплав 50 мае. %(Т1,Сг)В2-40 мае. %РеМп-9 мае. %РеУ-1 мае. (ТХБ - 50). Была разработана технология получения таких твердых сплавов, которая включала в себя перемешивание, прессование, спекание. Время смешивания шихты в среде этилового спирта 12 часов. Давление прессования определяли исходя из графика зависимости плотности и пористости от приложенного давления (рис.1).

Согласно этим зависимостям максимальное уплотнение (0,72) прессовок и минимальное значении пористости (28 %) достигается при давлении прессования 680 - 700 МПа. На рисунке видна закономерность резкого уменьшения пористости прессовок и увеличения плотности до 500 МПа. При давлении прессования свыше 800 МПа наблюдается расслоение.

0,8 0,75 0,7

к

5

§ 0.65 а

0,6 0,55

0,5

100

1

1--1!

И г 2

300

500 р,МПа

700

■ -30

50 40

С

. .20

800

Рис. 1 Зависимость относительной плотности (1), пористости (2) прессовок от давления прессования.

Режим спекания износостойких твердых сплавов ТХБ - 50 составлял 0,78 -0,98 от температуры плавления ферромарганца. Увеличение температуры спекания приводило к сублимации марганца. Экспериментально установленная скорость подъема температуры составляла 6 град/мин до 450 "С. При 450 °С осуществлялась изотермическая выдержка в течение 30 мин для удаления пластификатора. От 450 °С до температуры спекания скорость подъема была 8 град/мин. Увеличение скорости подъема температуры более 8 град/мин приводило к изменению геометрической формы компактных брикетов и к разрыхлению структуры.

Радиальная и аксиальная усадка (рис. 2 а и 2 б) и пористость зависят от температуры, поэтому для определения энергии активации процесса использо-

вана зависимость ДйЫ =

ДА

ехр(-

V, , ДИЛ л .К

); в координатах 1п ^ , ^ =[ (—) должна

КГ

бьггь прямая. Данные по изучению влияния температурного фактора на степень этих усадок образцов показали, что при температуре 1300 "С через 1ч они стабилизируются. Наличие излома на кривой (рис. 2а, 26) при температуре 1100 °С может быть объяснено изменением кинетики процесса, приводящего к из-

менению объема образца. Энергии активации процесса изменения объема в радиальном, аксиальном направлении представлены в таблице 1.

1/Г104,К 1Я*104,К

-4,4

1 -4,6 3 -4,7

2 -«з

В

§ -5

3- -5.1 С

— -«.2 -6,3

111

а)

рис. 2. Зависимость логарифма радиальной (а) и аксиальной (б) усадок от температуры спекания при выдержке 1 час.

Таблица 1

Усадка Энергия активации, ио*10" Дж (эВ)

до 1100°С ■ после 1100иС

Аксиальная 0,64(0,4) 0,072 (0,045)

Радиальная 0,96 (0,6) 0,096 (0,06)

Анализ результатов по изотермическому спеканию сплава при температуре 1300 °С показал, что при времени выдержки до 0,9 ч. происходит резкое уменьшение скорости аксиальной усадки (рис. 3 а) и пористости (рис. 3 б).

0,014 К 0,012 С 0,01 40,008 ® 0,006 §0,004 <0,002 о

15 14 13 12 11 10

б)

Рис. 3. Зависимость аксиальной (а) усадки и пористости (б) от логарифма времени выдержки при изотермическом спекании 1300°С.

Согласно проведенным исследованиям были разработаны и определены технологические режимы прессования (680-700 МПа) и спекания (1300 °С с

изотермической выдержкой 60 минут) твердого сплава на основе двойного бо-рида титана-хрома, которые и легли в основу процесса изготовления изделия.

В результате микрорентгеноспектрального и рентгенофазового анализов установлено, что при спекании происходит разложение двойного борида титана и хрома с образованием двух типов сложных соединений: 1 - СгВ2 с растворением в нем железа, марганца, ванадия и титана; 2 - "ПВ2 с незначительным растворением в нем железа, марганца и ванадия. Двойной борид титана и хрома частично диссоциирует и легирует матрицу с образованием тонкозернистых боридов ванадия, железа, карбидов титана и бора. Микроструктура твердого сплава ТХБ - 50 (рис. 4) состоит из светлых (СгВ2) и серых (Т1В2) составляющих - зерен полиэдрической формы, неравномерно распределенных в темной составляющей - матрице. В большинстве случаев зерна имеют зону контакта между собой, что свидетельствует об их неравномерном распределении в матрице или о малом количестве связки. Матрица представляет собой поликристаллическую цементирующую связку, имеющую согласно данным микрорентгеноспектрального анализа сложный состав, кристаллы тугоплавких образований; образуется матрично-армированнная структура, состоящая из связующей матрицы, упрочненной тугоплавкими боридами ТШ2, СгВ2, а также л/п я*!* т;г п.г

Рис. 4. Микроструктура твердого сплава состава ТХБ - 50. САМЕВАХ. х400 (а), хЮОО (б)

Структурные свойства сплава ТХБ - 50 представлены в табл. 2. Анализ структурных свойств показал повышенную пористость сплава в сравнении с твердыми сплавами, применяемыми для бурового инструмента («

а)

б)

Таблица 2

Структурные свойства сплава ТХБ - 50_

Обозначение сплава Размеры зерен, мкм Пористость, %

СгВ2 ТШ2

ТХБ-50 16,0 ± 0,2 13,9 ± 0,2 6,5

Анализ физико-механических свойств сплава ТХБ - 50 (табл.3) показал, что при средней твердости по сравнению с сплавами ВК линейная скорость износа

на 13,5% ниже твердого сплава ВК4.

___Таблица 3

Твердость, НЛА Модуль Юнга, Е, МПа Плотность, Кг/м3 Линейная скорость износа, Д11, мм/мин

ТХБ-50 ВК - 4

82,5 24700 3980 0,02 0,017

Испытания опытных образцов при ступенчатом нагружении показали, что часть обратимой деформации является неупругой (рис. 5). Неупругая обратимая деформация, по-видимому, связана с перемещением точечных дефектов.

а, МПа

1 - нагружение ступенчатое, 2 - разгрузка ступенчатая

Рис.5. Зависимость деформации от напряжения при ступенчатом нагружении образцов ТХБ - 50 при сжатии.

Анализ структуры и физико-механических свойств показал, что сплав ТХБ - 50 имеет высокое значение модуля упругости, повышенную пористость. Низкая плотность способствует снижению его материалоемкости и конечной стоимости. При испытаниях на абразивный износ твердых сплавов ТХБ - 50

происходит истирание и частичное выкрашивание твердых частиц из-за наличия зоны контактов между ними. Это позволяет зернам деформироваться в автономном режиме в упругой матрице. Зона контакта между твердыми частицами приводит к возникновению пиковых концентраций напряжений, что снижает прочность связи между твердыми частицами и матрицей, а следовательно, приводит к уменьшению стойкости к абразивному изнашиванию. Кинетические характеристики твердого сплава свидетельствуют о его разрушении по контактной зоне «твердое зерно - матрица». Исходя из этого, можно утверждать о том что, уменьшая долю контакта твердых зерен между собой, можно повысить стойкость кермета к абразивному износу.

Четвертая глава посвящена выявлению закономерностей, связывающих физико-механические свойства сплавов на основе двойного борида титана и хрома с его составом.

Проведено комплексное исследование сплавов (Т1,Сг)В2 -Ре Мп-БеV (ТХБ). Во время проведения испытания материалов на износостойкость наблюдались различные механизмы разрушения: при содержании тугоплавкого компонента от 30 до 60 % износ происходил вследствие истирания твердых частиц, вкрапленных в матрицу; увеличение же содержания боридов до 95% приводило к интенсивному выкрашиванию твердых частиц из матрицы. Это связано с повышенной хрупкостью и низкой прочностью образцов. Поэтому дальнейшее исследование сплавов, содержащих более 60 мае. % СП,Сг)В2, не проводилось. Основные физико-механические свойства сплавов ТХБ приведены в табл. 4.

Таблица 4

Физико-механические свойства сплавов ТХБ

Обозначение сплава Твердость, НИА Модуль Юнга, МПа Плотность, кг/м3 Линейная скорость износа, ЛЬ, мм/мин

ТХБ-60 83±0,5 - 3890 0,025

ТХБ-50 82,5±0,5 24700 3980 0,02

ТХБ-45 82±0,5 22650 3990 0,018

ТХБ-40 82+0,5 21400 4010 0,015

ТХБ-35 81±0,5 21050 4090 0,018

ТХБ-30 80±0,5 20800 4120 0,02

Анализ физико-механических свойств сплавов показал некоторое повышение твердости при увеличении содержания двойного борида титана и хрома в исходной смеси. Увеличение модуля упругости, возможно, связано с повышением доли боридов в сплаве. Сплав ТХБ - 40 имеет достаточную твердость,

низкую плотность, а следовательно, и материалоемкость. Линейная скорость износа сопоставима с вольфрамсодержащим сплавом ВК4.

Анализ зависимостей «нагружение - деформация» в упругой области для сплавов, содержащих 40 мае. % и 50 мае. % двойного борида татана и хрома (рис. 6), показал, что твердый сплав ТХБ - 40 обладает более высокими упругими свойствами.

1 - ТХБ - 40,2 - ТХБ - 50

рис. 6. Зависимость «деформация-напряжение» при ступенчатом нагруже-нии сплавов ТХБ - 40, ТХБ - 50.

Результаты микрорентгеносцектрального и рентгенофазового анализов показали, что при спекании происходит разложение двойного борида титана и хрома с образованием двух типов сложных соединений: 1 - СгВ2 с растворением в нем железа, марганца, ванадия и титана; 2 - Т1В2 с незначительным растворением в нем железа, марганца и ванадия. Микроструктура твердых сплавов ТХБ (рис. 7, 8) состоит из светлых (СгВ2) и серых (ТФ2) составляющих - зерен полиэдрической формы, неравномерно распределенных в темной составляющей - матрице. Размеры твердых частиц и представлены в таблице 5.

Таблица 5

Обозначение сплава Пористость, % Средний размер фаз 4 мкм

СгВ2 Т1В2

ТХБ- 60 9,6 16,5+0,2 14,1±0,2

ТХБ - 50 6,5 16,0±0,2 ' 13,9±0,2

ТХБ-45 5,2 15,7±0,2 13,9±0,2

ТХБ-40 3,5 15,5±0,2 13,7±0,2

ТХБ - 35 3,1 15,0±0,2 13,7±0,2

ТХБ-30 2,8 15,0±0,2 13,5±0,2

Рис. 8. Микроструктура твердого сплава ТХБ - 30. САМЕВАХ. х 1000

Уменьшение пористости (таблица 5) образцов при изменении содержания тугоплавких компонентов с 95 до 30 мае. % при практически одинаковом размере зерен диборида хрома - (от 15,0 до 17,9 мкм) и Т1В2 (от 13,5 до 14,7 мкм) связано с улучшением уплотняемости шихты из-за увеличения доли пластичного порошка связки, и, возможно, большей активностью процессов спекания. При этом пористость сплава, содержащего 30 мае. % двойного борида титана и хрома, примерно соответствует пористости твердых сплавов ВК, выпускающихся промышленностью.

Анализируя рисунки 7 и 8, можно отметить, что при увеличении общей доли зерен двойного борида титана и хрома увеличивается площадь контактного

взаимодействия между ними. Если у сплава ТХБ - 30 большая часть сложных диборидов титана и хрома (рис. 8) окружена матрицей, то для твердого сплава ТХБ - 60 (рис. 6) практически все зерна имеют зону контактного взаимодействия между собой.

Сравнивая полученные временные характеристики разрушения сплавов ТХБ (табл. 7), можно отметить, что увеличение долговечности определяется ростом энергии активации разрушения. Энергия активации этого процесса выше расчетного значения для дислокационного механизма, который для всех кристаллических тел составляет и0« 1*10"19 Дж. Указанное свидетельствует о разрушении путем разрыва межатомных связей в устье трещины по границе «твердое зерно - матрица»; их плотность очень высока, что подтверждается значениями прочности (табл. 7).

Таблица 7

Временные характеристики разрушения твердых сплавов ТХБ - 40, ТХБ - 50__

Обозначение сплава о , МПа 1ЕА, с в, МПа1 у; Ю" , м> ио*10"19 Дж(эВ)

ТХБ-40 65,31 58,7 0,85 3,5 6,83 (4Д7)

ТХБ-50 83,61 83,8 0,96 3,97 9,22(5,76)

Уменьшение прочности для сплава ТХБ - 40, возможно, связано с возникновением остаточных напряжений растяжения.

Пятая глава посвящена практическому применению результатов исследований при разработке твердосплавных зубков для оснащения буровых долот Для ОАО «Буммаш» разработана технология получения твердосплавных зубков ковшеобразной и клиновидной формы для низкооборотистых долот при бурении пород средней категории (плотные глины, в различной степени из-вестковистые). В результате твердые сплавы ТХБ, внедренные на «Буммаше», дали значительный экономический эффект - более 120 тыс. рублей (в ценах 2003 года) на одну буровую установку.

Для ФГУП «Ревтруд» и ФГУП 03 «Тамбоваппарат» изготовлены твердосплавные пластины, которые также дали большой экономический эффект и внедрены в производство.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании изучения научно-технической информации зарубежной и отечественной литературы проанализированы традиционные вольфрам-содержащие промышленные твердые сплавы, применяемые в настоящее время в мировой практике. Дефицитность и высокая стоимость ограничивают их широкое использование для армированного бурового инстру-

мента. Предполагается, что замена в твердых сплавах карбида вольфрама на двойной борид титана - хрома, а кобальта на ферросплавы марганца и ванадия, позволит получать высокоизносостойкие композиты для этих целей.

2. Сформулированы теоретические положения разработки безвольфрамовых твердых сплавов со структурой и свойствами, обеспечивающими надежное сцепление твердых боридных включений с цементирующей связкой (матрицей). Показано, что тугоплавкие бориды придают сплаву высокие значения прочности, твердости, модуль упругости, износостойкости, а также ряд важнейших физических и механических свойств.

3. Разработана и предложена структура и технология получения нового твердого сплава ТХБ на основе (Т1,Сг)В2 -РеМл -РеУ. В этой композиции твердый двойной борид титана-хрома обеспечивает высокую стойкость сплава к износу, ферромарганец и никель - упругие и демпфирующие свойства матрицы, а ванадий способствует образованию мелкодисперсной структуры системы в целом. В результате весь комплекс физико-механических свойств твердого сплава определяется состоянием, природой и параметрами двух основных фаз системы: наиболее твердой - боридами и сравнительно пластичной - цементирующей связкой (матрицей), в которую вкраплены тугоплавкие компоненты.

4. Изучены особенности и закономерности легирования, а также явления,

' ' происходящие при спекании боридных компонентов с ферросплавами.

Показано, что структурообразование разработанных сплавов протекает иначе, чем в вольфрамсодержащих, так как боридные составляющие при 1100-1300°С частично диссоциируют в цементирующую связку. Установлено, что это улучшает ее износостойкие свойства, так как образуется прочная гетерогенная (матрично-армированнная) структура.

5. Проведено комплексное исследование нового сплава при различном содержании в нем основного компонента (П,Сг)В2. Показано, что в условиях абразивного изнашивания твердые сплавы, содержащие более 60 мае. % двойного борида титана-хрома, обладают повышенной хрупкостью, быстро изнашиваются и становятся неконкурентноспособными по отношению к сплавам ВК4-ВК6. Установлено, что снижение количества бо-ридов (П,Сг)В2 от 50 до 35 мае. % приводит к формированию однородной структуры с равномерным распределением дисперсных твердых частиц боридов в матрице; определены химический состав и размеры этих частиц: для ТШ2 - 13,5...14,7мкм, дляСгВг- 15...17,9 мкм.

6. Впервые определены некоторые показатели новых сплавов: средняя плотность, пористость, макро- и микротвердость, модуль упругости, энергия активации разрушения, эффективный ахтивационный объем и величина напряжения безактивационного разрушения.

7. Впервые разрушение композиционного сплава (ТХБ) рассмотрено с позиции кинетической теории прочности. Изучен механизм разрушения композита ТХБ методом оценки временных характеристик этого процесса. Показано, что разрушение у всех сплавов ТХБ происходит по контактной зоне «твердая фаза - матрица» путем разрыва межатомных связей. Установлено, что оптимальное содержание боридов (до 40-35 мае. %) приводит к возрастанию упругих свойств композита, износостойкости и производительности инструмента.

8. Разработанный твердый сплав на основе композиции (Ti,Cr)B2 -FeMn -FeV внедрен на Ижевском заводе ОАО "Буммаш". Им оснащаются шарошечные долота, с помощью которых удалось увеличить на 25% ресурс буровых установок. Экономический эффект составляет более 120000руб. (в ценах 2003г) на одну установку. Для ФГУП «Ревтруд» и ФГУП ОЗ «Тамбоваппарат» изготовлены твердосплавные пластины, которые также дали большой экономический эффект и внедрены в производство. Акт о внедрении приложен к тексту диссертации.

Доля автора составляет 40%.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Попов П.В, Шишилов A.B., Орешкин В.Д., Густов Ю.И. Исследование абразивной износостойкости керметов / В сб. седьмой науч.-техн. конф. «Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины и робототехни-ческие комплексы». Москва.: МИИТ, 2003, С.62-63.

2. Орешкин В.Д., Попов П.В., Густов Ю.И. Исследование абразивной износостойкости безвольфрамовых керметов / В сб. науч. тр. «Строительство, материаловедение, машиностроение». Днепропетровск.: ПГАСА, 2003, С.113-116.

3. Попов П.В., Жога Л.В. Физико-механические и микроструктурные характеристики твердого сплава на основе (Ti,Cr)B2 / В сб. восьмой науч.-техн. конф. «Строительство, материаловедение, машиностроение». Пенза, 2003, С. 312-313.

4. Попов П.В., Жога Л.В. Повышение износостойкости композита (Ti,Cr)B2 -FeMn - FeV при изменении процентного содержания борида / В сб. XV ме-ждун. конф. «Физика прочности и пластичности материалов». Тольятти, 2003, т. 1, с.117.

5. Попов П.В., Жога Л.В. Кинетические характеристики разрушения композиции (Ti,Cr)B2 - FeMn - FeV / В сб. XV междун. конф. «Физика прочности и пластичности материалов». Тольятти, 2003, т. 1, с.26.

6. Попов П.В., Жога Л.В. Прочность и структура твердого сплава на основе борида / в сб. ХЫТ Международной конференции «Актуальные проблемы прочности». Калуга, 2004, с. 51.

7. Попов П.В., Орешкин Д.В., Беляев К.В. Методы оценки параметров деформирования и разрушения строительных и инструментальных материалов / в сб. 2-ой междун. науч.-практ. конф. «Строительство - формирование среды жизнедеятельности». Москва.: МГСУ, 2004, с.443-449.

8. Попов П.В., Орешкин В.Д. Технология получения образцов твердого сплава на основе (Т1,Сг)В2 / деп. ВИНИТИ, №848-В2004 ,18.05.04, 13с.

9. Попов П.В. Определение кинетических характеристик разрушения твердых сплавов на основе (Т1,Сг)В2 / деп. ВИНИТИ, №849-В2004,18.05.04,10с.

Личный вклад автора

В работах /1,2/ автором изучено влияние содержания (Т1,Сг)В2 на абразивную износостойкость твердого сплава. В работе /3, 6/ исследованы физико-механические и микроструктурные свойства сплавов на основе двойного борида титана и хрома, выявлены зависимости между содержанием твердых частиц и твердостью, плотностью, пористостью, линейной скоростью износа. В работах /4,5,7,9/ проведены экспериментальные исследования, впервые определены временные характеристики разрушения композиции (ТС,Сг)В2 - РеМп - РеУ — №, показана взаимосвязь между долговечностью и абразивной износостойкостью. В работе /8/ автором отработана технология получения твердого сплава на основе СП,Сг)В2.

Автореферат

Попов Павел Владимирович

РАЗРАБОТКА БЕЗВОЛЬФРАМОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

СИСТЕМЫ (Ti,Cr)Bz - FeMn - FeV ДЛЯ ВЫСОКОИЗНОСОСТОЙКОГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Подписано в печать 20.07.04. Формат 64x84/16

Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура Тайме. Уч.-изд. л. 1,1. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 115

Отпечатано в НП ИПД «Авторское перо»

»19527

РНБ Русский фонд

2005-4 17030

Введение.

Глава 1. Научно-технические предпосылки создания безвольфрамовых твердых сплавов.

1.1. Твердые сплавы как основа инструментальных материалов.

1.2. Теоретические предпосылки создания материалов на основе двойного борида титана и хрома.

1.3. Цели и задачи исследования.

Глава II. Методики исследований. Материалы. Оборудование.

2.1. Исследуемые материалы, приготовление порошковых ^ реакционных смесей и компактных образцов.

2.2. Рентгеновские исследования. Качественный фазовый анализ.

2.3. Методы исследования физико-механических свойств.

Выводы к главе II.

Глава III. Технология получения и изучение образцов твердого сплава системы 50 мае. %(Т1,Сг)В2 — 40 мае. % ЕеМп 39 - Юмас. %ЕеУ

3.1. Прессование порошковых материалов.

3.2. Спекание образцов состава 50 мае. %(Тл,Сг)В2 - 40 мае. %

РеМп - 10 мае. %РеУ.

3.3; Исследование структуры и физико-механических свойств спеченного твердого сплава 50 мае. % (Т1,Сг)В2- 40 мае. 50 % РеМп - 10 мае. % РеУ.

3.3.1. Рентгенофазовый, микроструктурный и ^ микрорентгеноспектральный анализы.

3.3.2. Исследование физико-механических и структурных свойств.

3.3.3. Кинетические характеристики спеченного твердого сплава ^

50 мае. % 0П,Сг)В2 +40 мае. % РеМп +10мас. % РеУ.

Выводы к главе III.

Глава IV. Комплексное исследование твердого сплава

СП,Сг)В2 - ЕеМп - ЕеУ.

4.1. Исследование физико-механических свойств.

4.2. Рентгенофазовый и микрорентгеноспектральный анализы ^ твердого сплава СП,Сг)В2 - БеМп - БеУ.

4.3. Кинетические характеристики твердого сплава

40мас. % (Т1,Сг)В2 - 50мас. % БеМп - Юмас. % БеУ.

Выводы к главе IV.

Глава V. Технико-экономический эффект применения нового твердого сплава (Т1,Сг)В2 - БеМп - БеУ.

Обзор имеющейся за последние годы периодической и патентной отечественной и зарубежной литературы свидетельствует- о малом. количестве работ, связанных с созданием твердых сплавов на основе карбоборидов. Хотя в настоящее время все большее применение в машиностроении, а именно в буровой технике, находят безвольфрамовые и маловольфрамовые твердые сплавы (БВТС) как альтернатива дорогим и дефицитным вольфрамсодержащим керметам. Около 40 % режущих инструментов в Японии и 10 % в Европе изготавливаются из БВТС на основе карбида и, карбонитрида титана с никель-кобальтовой связкой. Большой вклад в создание и исследование твердых сплавов на основе карбоборидов внесли: Самсонов Г.В., Андриевский P.A., Анциферов В.Н., Рустов Ю.И., Еременко В.Н., Иванова B.C., Искольдский И.И., Киффер Р., Ковальченко М.С., Ляхович JI.C., Найдич Ю.В., Орешкин В.Д., Панасюк А.Д., Портной К.И., Рудаков Ю.Ф., Савицкий Е.М., Серебрякова Т.И., Уманский Я.С., Францевич И.Н.

Безвольфрамовые твердые сплавы относятся к широкому классу материалов, условно определенному как керметы. Они представляют собой основу (матрицу) с диспергированными частицами другого материала. Основу матрицы составляют металлы и сплавы. Твердая фаза образуется карбидами, боридами, нитридами. В качестве основы твердых сплавов в настоящее время применяются Ni, Со, Мо, или соединения на их основе.

Принцип работы в условии абразивного износа в большинстве случаев сводится к выкрашиванию твердых частиц из матрицы из-за сочетания разнородных по форме и свойствам материалов, вызывающие возникновение поворотных моментов и концентраторов напряжений. Выкрашивание твердых частиц не позволяет реализовать высокую износостойкость твердых сплавов в целом.

Решение проблемы создания надежных и эффективных изделий на основе твердых сплавов, имеющих заданные физико-механические и эксплуатационные свойства, достигается путем разработки материала, в котором твердые частицы могут деформироваться без нарушения сплошности основы. Этого можно добиться измельчением твердых частиц и созданием матрицы с высокими прочностными и упругими свойствами. Благодаря высоким физико-механическим свойствам в качестве матрицы перспективно применение ферросплавов, содержащих марганец и ванадий, а твердой фазы - двойной борид титана-хрома. Такой кермет можно получить по технологии твердофазного спекания в вакууме.

В связи с этим исследование процессов высокотемпературного и твердофазного взаимодействия в системе РеМп-РеУ-СП,Сг)В2 (ТХБ) представляет значительный научный и практический интерес.

Цель и задачи исследования. Цель работы - создание состава и технологии изготовления нового безвольфрамового твердого сплава системы (Т1,Сг)В2-РеМп-РеУ, обладающего высокой износостойкостью сопоставимой со сплавами марки ВК. Научная новизна работы:

1. Теоретически обоснована возможность создания твердого сплава системы (Т1,Сг)В2-РеМп-РеУ с матрицей, обладающей высокими прочностными, упругими и демпфирующими свойствами и позволяющей зернам деформироваться в автономном режиме без нарушения сплошности.

2. Выявлена зависимость между усадками и температурой спекания. Показано, что увеличение температуры выше 1100 °С приводит к изменению кинетики процесса усадок.

3. Установлено, что для износостойкого сплава системы СП,Сг)В2-РеМп-РеУ характерна временная зависимость прочности. Доказано, что при заданном напряжении прочность зависит от длительности пребывания материала в напряженном состоянии.

4. Показано, что повышение прочности твердого сплава при увеличении содержания (Т1,Сг)В2 в исходной шихте связано с ростом энергии активации разрушения, высокие значения которой свидетельствуют о разрушении путем разрыва межатомных связей. Практическая ценность:

1. Проведенные исследования позволили определить оптимальный состав твердого сплава системы (Т1,Сг)В2 - БеМп - БеУ содержащего 40% (Т1,Сг)В2. Сплав обладает минимальной линейной скоростью износа, сопоставимой с ВК4.

2. Применение сплава системы (Т^Сг)В2 - БеМп - РеУ позволило снизить температуру спекания твердых сплавов на 200.250 °С по сравнению с вольфрамсодержагцими на кобальтовой связке при сопоставимой износостойкости, что позволило технологически удешевить процесс изготовления изделий.

Реализация результатов работы. Разработанные научно-обоснованные практические рекомендации и технологические процессы изготовления нового твердого износостойкого сплава внедрены на Ижевском заводе ОАО «Буммаш», ФГУП «Ревтруд» и ФГУП ОЗ «Тамбоваппарат». Экономический эффект от внедрения твердого сплава системы (Т1,Сг)В2 - РеМп - РеУ при бурении плотных в различной степени известковых глин на глубину около 500 м составил 120000 руб. на одну буровую установку.

Доля автора составляет 40%. Акты о внедрении приложены к диссертации.

Достоверность результатов обеспечена применением современного компьютеризированного оборудования с использованием новейших методик рентгенофазового, микроструктурного и микрорентгеноспектрального анализов.

Теоретические разработки основаны на научных положениях и законах современного материаловедения, физики твердого тела, кристаллофизики, кристаллохимии, порошковой металлургии, математической статистики, математического и физического моделирования.

Достоверность подтверждается согласованностью результатов с современными представлениями материаловедения.

Диссертация имеет следующую структуру:

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса по научно -технической и патентной информации о твердых сплавах как основы для разработки новых высокоизносостойких материалов.

Сделан обзор литературы по современной классификации твердых сплавов, по представлениям о структуре и свойствах материалов на основе двойного борида титана - хрома с материаловедческой точки зрения.

Рассмотрены теоретические предпосылки возможности создания материалов на основе двойного борида титана и хрома.

Во второй главе описаны и представлены стандартные и специально разработанные методики для проведения исследований, приведены характеристики исходных материалов.

В третьей главе представлены результаты по изготовлению образцов из порошков 50 мае. % (Т1,Сг)В2—40 мае. % РеМп-10 мае. % РеУ методом прессования с последующим твердофазным спеканием в вакууме. Определены режимы спекания. Приведена разработанная технологическая схема получения изделий из указанных композиций. Исследованы основные физико-механические свойства сплава. Рассчитаны временные характеристики прочности.

Четвертая глава посвящена, поиску закономерностей связывающих, физико-механические свойства сплавов на основе двойного борида титана и хрома с его составом; в качестве основных методов исследования структуры использованы химический, материаловедческий и рентгенофазовый анализы.

Исследованы основные физико-механические свойства, микроструктурные характеристики твердых сплавов и установлены их количественные зависимости от содержания (Т1,Сг)В2 в материале; для изучения механизма разрушения твердых сплавов определены временные характеристики прочности.

В пятой главе приведены расчеты и оценка технико-экономической эффективности от внедрения в производство нового твердого высокоизносостойкого сплава; экономический эффект от внедрения ТХБ - 40 составил 122369 руб. на одну буровую установку.

В приложении к работе приводятся акты внедрения разработанного твердого сплава (Ti,Cr)B2- FeMn - FeV.

Основные теоретические и экспериментальные исследования выполнены автором в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете, Московском государственном: строительном университете и на Кировградском заводе твердых сплавов.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Попов П.В, Шишилов A.B., Орешкин В.Д., Густов Ю.И. Исследование абразивной износостойкости керметов / В сб. седьмой науч.-техн. конф. «Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины и робототехнические комплексы». Москва.: МИИТ, 2003, С.62-63.

2. Орешкин В.Д., Попов П.В., Густов Ю.И. Исследование абразивной износостойкости безвольфрамовых керметов / В сб. науч. тр. «Строительство, материаловедение, машиностроение». Днепропетровск.: ПГАСА, 2003, С.113-116.

3. Попов П.В., Жога JI.B. Физико-механические и микроструктурные характеристики твердого сплава на основе (Ti,Cr)B2 / В сб. восьмой науч.-техн. конф. «Строительство, материаловедение, машиностроение». Пенза, 2003, С. 312-313.

4. Попов П.В., Жога JI.B. Повышение износостойкости композита (Ti,Cr)B2 -FeMn - FeV при изменении процентного содержания борида / В сб. XV междун. конф. «Физика прочности и пластичности материалов». Тольятти, 2003, С. 117.

5. Попов П.В., Жога JI.B. Кинетические характеристики разрушения композиции (Ti,Cr)B2 - FeMn - FeV / В сб. XV междун. конф. «Физика прочности и пластичности материалов». Тольятти, 2003, С. 26.

6. Попов П.В., Жога Л.В. Прочность и структура твердого сплава на основе борида / в сб. ХЫ1 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности». Калуга, 2004, с. 51.

7. Попов П.В., Орешкин Д.В., Беляев К.В. Методы оценки параметров деформирования и разрушения строительных и инструментальных материалов / в сб. 2-ой междун. науч.-практ. конф. «Строительство -формирование среды жизнедеятельности». Москва.: МГСУ, 2004, с.443-449.

8. Попов П.В., Орешкин В.Д. Технология получения образцов твердого сплава на основе (Т1,Сг)В2 / деп. ВИНИТИ, №848, 18.05.04, 13с.

9. Попов П.В. Определение кинетических характеристик разрушения твердых сплавов на основе (Т1,Сг)В2 / деп. ВИНИТИ, №849, 18.05.04, Юс.

В заключение автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю, заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору В.Д. Орешкину за постоянную помощь и ценные консультации при выполнении работы. Выражаю также особую признательность кандидату физико-математических наук, доценту Л.В. Жога за научную консультацию по кинетической теории прочности. Кроме того, благодарю сотрудников кафедр «Механизация и автоматизация строительного производства» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета, «Технология конструкционных материалов», «Строительные материалы» Московского государственного строительного университета за научно-техническую помощь при выполнении экспериментальной части настоящего исследования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании научно-технической информации зарубежной и отечественной литературы проанализированы традиционные вольфрамсодер-жащие промышленные твердые сплавы, применяемые в настоящее время в мировой практике. Дефицитность и высокая стоимость ограничивают их широкое использование для армированного бурового инструмента. Предполагается, что замена в твердых сплавах карбида вольфрама на двойной борид титана - хрома, а кобальта на ферросплавы марганца и ванадия, позволит получать высокоизносостойкие композиты для этих целей.

2. Сформулированы теоретические положения разработки безвольфрамовых твердых сплавов со структурой и свойствами, обеспечивающими надежное сцепление твердых боридных включений с цементирующей связкой (матрицей). Показано, что тугоплавкие бориды придают сплаву высокие значения прочности, твердости, модуль упругости, износостойкости, а также ряд важнейших физических и механических свойств.

31 Разработана и предложена структура и технология получения нового твердого сплава ТХБ на основе (Т1,Сг)В2 -БеМп -РеУ. В этой композиции твердый двойной борид титана-хрома обеспечивает высокую стойкость сплава к износу, ферромарганец и никель - упруго-пластические и демпфирующие свойства матрицы, а ванадий способствует образованию мелкодисперсной структуры системы в целом. В результате весь комплекс физико-механических свойств твердого сплава определяется состоянием, природой и параметрами двух основных фаз системы: наиболее твердой - боридами и сравнительно пластичной - цементирующей связкой (матрицей), в которую вкраплены тугоплавкие компоненты.

4. Изучены особенности и закономерности легирования, а также явления, происходящие при спекании боридных компонентов с ферросплавами. Показано, что структурообразование разработанных сплавов протекает иначе, чем в вольфрамсодержащих, так как боридные составляющие при- 1100-1300°С частично диссоциируют в цементирующую связку. Установлено, что это улучшает ее износостойкие свойства, так как образуется прочная гетерогенная (матрично-армированнная) структура.

5. Проведено комплексное исследование нового сплава ТХБ при различном содержании в нем основного компонента (Т1,Сг)В2. Показано, что в условиях абразивного изнашивания твердые сплавы, содержащие более 60 мае. % двойного борида титана-хрома, обладают повышенной хрупкостью, быстро изнашиваются и становятся неконкурентоспособными по отношению к сплавам ВК4-ВК6. Установлено, что снижение количества боридов (П,Сг)В2 от 50 до 35 мае. % приводит к формированию однородной структуры с равномерным распределением дисперсных твердых частиц боридов в матрице; определены химический состав и размеры этих частиц: для Т1В2 - 13,5. 14,7 мкм, для СгВ2 - 15. 17,9 мкм.

6. Впервые определены, некоторые показатели новых сплавов: средняя плотность, пористость, макро- и микротвердость, модуль упругости, энергия активации разрушения, эффективный активационный объем и величина напряжения безактивационного разрушения.

7. Впервые разрушение композиционного сплава (ТХБ) рассмотрено с позиции кинетической теории прочности. Изучен механизм разрушения композита ТХБ методом оценки временных характеристик этого процесса. Показано, что разрушение у всех сплавов ТХБ происходит по контактной зоне «твердая фаза - матрица» путем разрыва межатомных связей. Установлено, что оптимальное содержание боридов (до 40 — 35 мае. %) приводит к возрастанию упругих свойств композита, износостойкости и производительности инструмента.

8. Разработанный твердый сплав на основе композиции (Тл,Сг)В2 -РеМп -РеУ внедрен на Ижевском заводе ОАО "Буммаш". Им оснащаются ша рошечные долота, с помощью которых удалось увеличить на 25% ре сурс буровых установок.

Экономический эффект составляет более 120000руб. (в ценах 2003г) на одну установку. Для ФГУП «Ревтруд» и ФГУП ОЗ «Тамбоваппа-рат»изготовлены твердосплавные пластины, которые также дали большой экономический эффект и внедрены в производство. Акт о внедрении приложен к тексту диссертации. Доля автора составляет 40%.

1. Pastor H. //1.t J. Refract. Hard Met. 1987. vol. 6, № 4. p. 196-209.

2. ГОСТ 3882- 74 (ИСО 513-75, CT СЭВ 1251-78, CT СЭВ 5015-85). Сплавы твердые спеченные. Марки. М., 1998.

3. Самсонов Г.В., Серебрякова Т.И., Неронов В.А. Бориды. М.: Атомиздат, 1975. -376 с.

4. Меерсон Г.А., Самсонов Г.В., Котельников Р.Б., Войнова М.С., Евтеева И.И., Красненкова С.Д. //ЖНХ, 1958, т. 3, С. 898.

5. Меерсон Г.А., Самсонов Г.В., Котельников Р.Б., Войнова М.С., Евтеева И.И., Красненкова С.Д.// сб.трудов «Бор» Труды конференции по химии бора и его соединений. М.: Госхимиздат, 1958, С. 158.

6. Киффер Р., Браун X. Ванадий, ниобий, тантал.- М.: Металлургия, 1968. -312 с.

7. Ефимов Ю. В., Барон В.В., Савицкий Е.М. Ванадий и его сплавы.- М.: Наука, 1969.-254 с.

8. Pastor H. Metallic bondes: preparation of solid bodies sintering methods and properties of solid bodies. -In: Boron and refractory borides. Berlin, 1977, P.457-493.

9. Пугач Э.А., Лавриненко JI.H., Филипченко С.И. Окисление сплавов на основе карбида титана// Порошковая металлургия, 1990, № 6, С. 88-91.

10. Гериханов А.К., Середа H.H., Дубинин O.A., Бондаренко A.A., Носачен-ко A.M., Ковальченко М.С. Оценка энергетических характеристик разрушения твердых сплава на основе карбида титана// Порошковая металлургия, 1992, № 1, с. 92-98.

11. Потапенко В.А., Коржова Н.П., Середа H.H., Гриднева И.В. Особенность формирования кольцевой структуры при твердо-жидкофазном спекании сплавов системы TiC Ni - Mo// Порошковая металлургия, 1992, № 6, С. 7582.

12. Уманский А.П. Композиционные материалы на основе карбонитрида титана со связкой железо-хром // Порошковая металлургия, 2001, № 11 / 12 С.113-118.

13. Подчерняева И.А., Панасюк А.Д., Евдокименко Ю.И., Кисель В.М., Ка-томинский В.П., Король A.A., Фролов Г.А., Юга А.И. Износо и окилино-стойкие покрытия на основе TiCN // Порошковая металлургия, 2001, №5/6, С. 57-68.

14. Емельянов А.Н., Туманов В.И. Температуропроводность безвольфрамовых твердых сплавов при повышенных температурах// Порошковая металлургия. 1989, № 11, G.68-69.

15. Yang Fubao, Guo Jianting, Zhou Jiyang. Jinshu xuebao=Acta met. Sin. 2001. 37. № 5, C.483-487.

16. Wang Hong-wei, Zhanger-lin, Zhang-hu, Zeng Song-yan: Sailiaokexue yu gongyi=Mater. Sei. and Technol. 2001, 9, № 1, C. 100-109.

17. Самсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие покрытия. M.: Металлургия 1973;-С. 44.18; Бор, его соединения и сплавы //F. В. Самсонов, JI. Я. Марковский, А. Ф. Жигач, М.Г. Валяшко. Киев.: Из-во АН УССР. —1960. - 590с.

18. Самсонов F.B., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения: М.: Металлургия. - 1976.-560 с.

19. Самсонов Г.В. //Неметаллы нитриды. -М.: Метааллургия. — 1969. — 264 с.

20. Борисов Ю.С., Оликер в.Е., Астахов Е.А. и др. Структура и свойства газо термических покрытий из сплавов Fe В - С и Fe — Ti - В — С //Порошковая металлургия. - 1987. -№ 4. - С.50-56.

21. Егоров М.Д., Сапожников Ю.Л., Кацель P.M., Шахназаров Ю.В. Исследо вание структуры и свойств борсодержащих сплавов //Композиционные покрытия: Тез. 3-й н.-т. конф. Житомир, 1985. - С.36-37.

22. Григорьев О.Н., Прилуцкий Э.В., Трунова Е.Г., Козак И.В. Структура и свойства керамики на основе боридов вольфрама, титана и карбида бора //Порошковая металлургия. -2002. № 3 / 4. - С.35-41.

23. Степанова О.В., Уварова И.В. Влияние магнитно-абразивной обработки на износостойкость твердосплавных пластин с диффузионным покрытием на основе TiC //Порошковая металлургия. -2002. -№11/12.- С.21-29.

24. Шпейзман В.В., Степанов В.А., Жога JI.B. Проблемы прочности и пластичности материалов. М.: Наука, 1979, С.43-55.

25. Середа H.H., Ковальченко М.С., Цыбань В.А., Белобородов Л.Н. //Порошковая металлургия. 1985. № 13. - С.74-78.

26. Schmitt-Thomas G/, Meisel Н., Dorn Н. -1/. Е. А. //Metall. 1975. - Bd. 29, №12.-Р. 1198-1204.

27. Эпик А.П. // Журн. Всесоюз. хим. общ. Им. Д.И. Менделеева. -1979. — Т. 24, № 3. — С.263-266.

28. Дудко Д.А., Зеленин В.И., Петеса И.В.// Износостойкие наплавочные материалы на основе тугоплавких соединений. Киев.: Наук.думка. - 1977. -с.3-5.30. Пат. 3937619 (США). 1976.

29. П.В. Попов, JI.B. Жога, В.В, Шпейзман, A.B. Шильников Кинетические параметры хрупкого разрушения бетона// Вестник ВолгГАСА серия: Строительство и архитектура. Волгоград. -2002. - 266с.

30. Орешкин В.Д., Панасюк А.Д., Боровокова М.С. // Износостойкие наплавочные материалы на основе тугоплавких соединений. Киев.: Наук.думка. -1977. - С.36-38.

31. Самсонов Г.В., Панасюк А.Д., Козина Г.К., Боровокова М.С., Нетеса И.В., Зеленин В.И. // Износостойкие наплавочные материалы на основе тугоплавких соединений. Киев.: Наук.думка. - 1977. - С.39 - 42.

32. Степанов В.А., Песчанская H.H., Шпейзман В.В. Прочность и релаксационные явления в твердых телах. Л.: Наука, 1984, 246с.

33. Панасюк А.Д., Дзыкович И. Я., Дьяконова Л.В., Гордань Г.Н., Прихно И.Г. Микрорентгеноспектральные исследования межфазного взаимодействия в системе (Ti,Cr)B2 (Ni-Mo)// Порошковая металлургия. -1978. - № 6. -С.65-69.

34. Ковальченко М.С., Очкас Л.Ф., Юрченко Д.З. Износостойкие твердые сплавы на основе двойного диборида титана-хрома// Порошковая металлургия. -1982. № 11. С.54-57.

35. Орешкина В.П., Лакин В.К. Исследование микротвердости и аэроабразивной износостойкости наплавок на основе карбида титана и диборида титана-хрома //Вопросы прикладной механики. Волгоград: 1976.

36. Ковальченко М.С., Очкас Л.Ф.,Винокуров В.Б. Горячее прессование двойного диборида титана и хрома// Порошковая металлургия. — 1980. № 5. -С.69-72.

37. Шпейзман В.В., Вовкобой В.Б., Козачук А.И. ФХОМ, 1982, № 3, С.113-117.

38. Фрейденталь A.M. Статистический подход к хрупкому разрушению// Разрушение. Математические основы разрушения. М.: Мир, 1975. - Т. 2. -С.616-646.

39. Ковальченко М.С., Очкас Л.Ф., Винокуров В.Б. Кинетика уплотнения сплава на основе диборида титна при горачем прессовании. В сб.: Горячее прессование. - Киев. - 1977, С.44-49.

40. Жога Л.В., Шильников А.В., Булгаков А.Т., Шпейзман В.В. Аномальная зависимость скорости ползучести с/э керамики ЦТС 19 от механических напряжений //Изв. АН СССР, сер. физ. Т. 51, № 2, 1987, С.411-414.

41. Koval'chenko M.S., Ochkas L.F., Vinokurov V.B. The hot pressing of an alloy based on (Ti,Cr)B2 and a study of its properties. J. of the Less - Common Metals, 1979, №67, P. 297-301.

42. Ковальченко M.C., Май M.M. Ползучесть при горячем прессовании порошка диборида титана //Порошковая металлургия. 1973. - № 8. - С.23-27.

43. Ковальченко М.С. ползучесть при горячем прессовании порошков нитрида титана, дисилицида молибдена, диборидов циркония и хрома. //Порошковая металлургия. 1973. - № 4. - С.7-13.

44. Selection of hard facing allaus "Metalls", A.S.M, Novelty, ohie, 1961, 825c.

45. Испытание материалов. Справочник под ред. Блюменауэра X. М.: Металлургия. -1979,448 с.

46. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия. — 1976,272 с.

47. Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. М.: Металлургия. — 1988, 784 с.

48. Писаренко Г.С., Визерская Г.Е. Демпфирующие свойства некоторых жаропрочных атериалов при циклическом растяжении сжатии в условиях нормальных и высоких температур. Киев: Наук, думка. 1972. - 60с.

49. Endon Y ischirowak-j. Physical Soc. Japan, 1971, v.30, № 6, P. 1614-1621.

50. Волынова Т.Ф. Высокомарганцовистые стали и сплавы. М.: Металлургия. 1988. - 343с.

51. Богачев И.Н., Еголаев В.Ф. Структура и свойства железомарганцовистых сплавов. М.: Металлургия, 1973, 296с.

52. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие сплавы. -М.: Металлургия, 1972, 189с.

53. Богачев И.Н., Малинов J1.C., Эксмонд Г.Д. Изв. АН СССР, Металлы, 1971, № 5, С.168-174.

54. Журавлев Л.Г., Голикова В.В., Штейнберг М.С. ФММ, 1969, т.27, № 3, С.478-483.

55. Соколов О.Г., Кацов К.Б. Железомарганцовистые сплавы. Киев: Наук, думка, 1982, 212с.

56. Мелькер А.И. Сахин С.И., Соколов О.Г. В кн.6 Металловедение, Л.: Судпромгиз, 1963, № 7, С.86 - 102.

57. Olson G.B., Cohen М. -j. Less-Common Metals, 1972, v.28, № 1, P.107-118.

58. Richman R.H. Boiling G.E. Metalltrans, 1971, v.2, P.2451-2462.

59. Venables J.A. The Philosophical Magazine, 1962, v.7, № 73, P.35-40.

60. Малинов Л.С., Харланова Е.Я., Голубович Л.Я. МиТОМ, 1976, № 2, С.13-16.

61. Ермова Т.П., Понятовский Е.Г., Аптекарь И.Л. Журнал физической хи-* мии, 1968, T.XLII, № 3, С.748-754.

62. Богачев И.Н., Еголаев В.Ф., Малинов Л.С. ФММ, 1963, т. 16, № 4, С.544-550.

63. Ермова Л.С., Богачев И.Н. ФММ, 1962, т. 13, № 2, С.300-305.

64. Лысак Л.И., Николин Б.И. ФММ, 1967, т.23, № 1, С.93-100.

65. Макагон Ю.Н., Николин Б.И. ФММ, 1972, т.ЗЗ, № 6, С. 1271-1276.

66. Макагон Ю.Н., Николин Б.И. ФММ, 1970, т.29, № 1, С.157-161.

67. Потехин Б.А., Тютюков С.А., Немировский Ю.Р. ФММ, 1979, т.48, № 1,1. С.182-187.

68. Фавстов Ю.К., Шульга Ю.Н. Металловедение высокодемпфирующих сплавов. М.: Металлургия, 1980, с.270.

69. Равдель М.П. В кн.: Прецензионные сплавы. М.: Металлургия, 1962, С.158-176.

70. Винтайкин Е.З., Удовенко В.А., Литвин Д.Ф. и др. Изв. Вузов. Физика, 1985, № 5, С.104-117.

71. Кондратов В.Н., Рудаков A.A., Коростелев В.М. др. Проблемы прочности, 1985, №6, С.47-51.

72. Волынова Т.Ф., Медов И.Б. МиТОМ, 1986, № 2, С.23-26.

73. Вираховский Ю.г., Георгиевна И.Я., Гуревич А.Б., Замбржицкий В.Н., Максимова О.П., Ногаев М.С., Утевский Л.М., Энтин Р.И. ФММ, 1971, т.32, № 2, С.348-363.

74. White G.H., Hoheycomb R.W. -j. Iron and Stell Insninute, 1962, v.200, № 6, P.457-465.

75. Schumann H. -Die Technik, 1967, Bd 22, № Ю, S.626-628.

76. Богачев И.Н., Филипов M.A., Звигинцева Г.Е. Термическая обработка и физика металлов /Труды вузов РФ: Свердловск: УПИ, 1976, вып.2, С. 4-9.

77. Малинов Л.С., Коноп В.И., Соколов К.Н. Изв. АН СССР, Металлы, 1976, №5, С. 141-148.

78. Малинов Л.С., Коноп В.И., Соколов К.Н. Изв. АН СССР, Металлы, • 1977, №6, С. 110-114.

79. Богачев И.Н., Филипов М.А. В кн.: Высокопрочные немагнитные стали. М.: Наука. - 1978, С. 49-56.

80. Лысак Л.И., Николин Б.И. Физические основы термической обработки стали. Киев: Техника, 1975, 306 с.

81. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. Металлы, 1975, с. 208.

82. Соколов О.Г., Кацов К.Б., Карпенко Г.В. Сверхпластичность и коррози-* онномеханическая прочность двухфазных железомарганцевых сплавов.

83. Киев. Наук, думка, 1977, С. 118.

84. Ткаченко И.Ф., Русицкий В.А., Горбачев A.B. — Изв. вузов, черная металлургия, 1980, № 7, С. 82-85.

85. Ткаченко И.Ф. в кн.: Безникелевые и малоникелевые хромомарганцови-стые аустенитные сплавы. Тбилиси, 11Ш, 1983, С.35-37.

86. Францевич И.Н., Воронов Ф.Ф. Упругие постоянные и модули упругости металлов и неметаллов. — Киев: Наук, думка. 1982. - 288 с.

87. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука. - 1974. - 560 с.

88. Гринберг Е.М., Чирикова Ф.В. Влияние малых добавок бора на величину и температуру положения пика Сноека в железе / Вопросы металловедения и физики металлов. Тула, 1977, С.58-61.

89. Вайцуль X. Практическая металлография. Пер. с немецкого. М.: Металлургия. - 1988. 320 с.

90. Жога Л.В., Шпейзман В.В. Разрушение сегнетокерамики в электрическом и механическом полях // ФТТ., т.34, № 8, С.2578-2583.

91. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений /под ред. Т.Я. Косолаповой. М.: Металлургия. - 1986. - 928с.

92. Эльбор в машиностроении / под ред. B.C. Лысанова. Л: Машиностроение, 1978, 280 с.

93. Сверхтвердые материалы /под ред. И.Н. Францевича. Киев: Наук, думка, 1980, 296 с.

94. Керметы/ Под. ред. П.С. Кислого. Киев.: Наук, думка, 1985, 241 с.

95. Кислый П.С. // Журн. Всесоюзн.хим. общество им. Д.И. Менделеева, 1979, Т.24, № 3, С. 270-276.

96. Кузьмин Б.П., Кватер Л.И., Фрижберг И.В. // Цветные металлы, 1975, № 1, С. 68-69.

97. Кислый П.С., Кузенкова М.А. Спекание тугоплавких соединений. Киев: Наук, думка, 1980, 168 с.

98. Андриевский Р.А., Ланин А.Г., Рымашевский Г.А. Прочность тугоплавких соединений. -М.: Металлургия, 1974. 232 с.

99. Неметаллические тугоплавкие соединения/ Т.Я. Косолапова, Т.В. Андреева, Т.С. Бартницкая и др. М.: Металлургия. - 1985. - 224с.

100. Кипарисов С.С. Порошковая металлургия. — М.: Металлургия. — 1991. -467 с.

101. Методика. Производство сварочных электродов в Великобритании. — Киев: ИШ,. 1961.103. Пат.514031 (СССР). 1976.

102. Попов П.В., Жога Л.В. Физико-механические и микроструктурные характеристики твердого сплава на основе (Ti,Cr)B2 / В сб. восьмой науч.-техн. конф. «Строительство, материаловедение, машиностроение». Пенза, 2003, С. 312-313.

103. Попов П.В., Жога Л.В. Кинетические характеристики разрушения композиции (Ti,Cr)B2 FeMn - FeV / В сб. XV междун. конф. «Физика прочности и пластичности материалов». Тольятти, 2003, С. 1-26.

104. Попов П.В, Шишилов А.В., Орешкин В.Д., Рустов Ю.И. Исследование абразивной износостойкости керметов / В сб. седьмой науч.-техн. конф. «Подъемно-транспортные, строительные, путевые машины и робототехниче-ские комплексы». Москва.: МИИТ, 2003, С.62-63.

105. Орешкин В.Д., Попов П.В., Густов Ю.И. Исследование абразивной износостойкости безвольфрамовых керметов / В сб. науч. тр. «Строительство, материаловедение, машиностроение». Днепропетровск.: ПГАСА, 2003, С.113-116.

106. Шеенко И.Н., Орешкин В.Д., Репкин Ю.Д. Современные наплавочные материалы. -Киев: Наукова Думка, 1970. 240 с.

107. Гегузин Я.Е. Физика спекания. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1984.-312с.110. ГОСТ 20018-74

108. Glasstone S., Laidler К. J., Eyring Н. The Theory of Rate Processes. McGraw-Hill, New York, 1941.

109. Попов П.В., Жога JI.В. Прочность и структура твердого сплава на основе борида / в сб. XLII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности». Калуга, 2004, с. 51.

110. Попов П.В., Орешкин В.Д. Технология получения образцов твердого сплава на основе (Ti,Cr)B2 / деп. ВИНИТИ, №848, 18.05.04, 13с.

111. В результате внедрения твёрдого высокоизносостойкого сплава

112. БТХМВ((Т1, Сг) В2 -РеМп-РеУ) срок службы долот увеличивается на 25%. Ожидаемый экономический эффект от внедрения такого материала при бурении под кондуктором диаметром 324 мм на глубину около 500 м составит 120 000 руб.

113. Директор металлургического производства

114. Помощник генерального директора по строительству1. В.Н. Перевертин1. Г.Н. Первушин1. АКТо внедрении в производство на ФГУП «Ревтруд» нового твердого сплава, разработанного в результате научно-исследовательской работы Попова П.В.

115. Комиссия в составе председателя (главного инженера ФГУП «Ревтруд» Осетрова Б.А.) составила настоящий акт в том, что твердый сплав СП,Сг)В2-РеМп-РеУ внедрен в производство на ФГУП «Ревтруд».

116. Председатель комиссии: Главный инженер1. Б.А.Осетров

117. Член комиссии: Главный технолог1. И.А.Беловаппарат»1. А.Ф.Пахомов2003 г.1. АКТо внесении в производство на ФГУП ОЗ «Тамбовапгарат» нового твердого сплава, разработанною в результате научно-исследовательской работы Попова П.В.

118. Комиссия в составе председателя (главного инженера ФГУП ОЗ «Тамбоваппарат Гусева В.М) составила настоящий акт в том, что твердый сплав (П,Сг)В2-РеМп-РеУ внедрен в производство на ФГУП ОЗ «Тамбоваппарат».

119. Председатель комиссии: Главный инженер

120. Член комиссии: Главный технолог03«Тамбоваптарат>> В.С.Шлыков