автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка износостойких связок на основе никеля и диборида хрома (титана) и технологии изготовления с их использованием эффективного камнеразрушающего алмазного инструмента при давлениях 1,0-1,5 ГПА

На правах, рукописи

Бугаков Василий Иванович

РАЗРАБОТКА ИЗНОСОСТОЙКИХ СВЯЗОК НА

ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ИДИБОРИДА ХРОМА (ТИТАНА) И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ С ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТИВНОГО КАМНЕРАЗРУШАЮЩЕГО АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ДАВЛЕНИЯХ 1,0-1,5 ГПА

Специальность 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена на кафедре Высокотемпературных материалов в Московском Государственном институте стали и сплавов (Технологическом университете) и в Институте физики высоких давлений Российской Академии Наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент, заведующий НИЛ

Полушин Н.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, зав.лаб. ВННИАЛМАЗа

Журавлев В.В.

кандидат технических наук, в.н.с. ВНИИТСа

Вепринцев В.И.

Ведущее предприятие: 'Члектро-механический завод, гЛермонтов Ставропольского края

Защита диссертации состоится 1997г. на

заседании Специализированного Сове^г Д >4)53.08.03 в Московском Государственном институте стали и сплавов (Технологическом университете). Адрес института: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан " " 1997г.

Справки по телефону 230-46-27

Ученый Секретарь Специализированного Совета

К.Н.Бгорычев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Алмазный камнеобрабатывающий инструмент широко применяется в промышленности. Алмазный инструмент состоит из стального корпуса и алмазосодержащего слоя, который можно рассматривать как композиционный материал, где одним из компонентов является металлическая матрица (связка), а другой (зерна алмаза) равномерно распределен в ней в виде включений. Несмотря на то, что конструктивные особенности и режимы эксплуатации данных видов инстру-мента различны, основные требования предъявляемые к ним сохраняются такими же, как к любому алмазно-абразивному инструменту: прочное закрепление зерен алмазов в связке и прочное прикрепление алмазосодержащего слоя к стальному корпусу. Проблемы в области изготовления и применения алмазного инструмента связаны, главным образом, с повышением его технологической и экономической эффективности. Традиционным методом изготовления камнеобрабатывающегЪ инструмента из природных алмазов является метод инфильтрации прессовок алмазов с твердыми сплавами медыо или сплавами на основе меди при температурах более 1000°С п восстановительной (нейтральной) атмосфере или вакууме. Разработка и освоение промышленпстыо технологий изготовления синтетических алмазных монокристаллов и лоликрис-таллических алмазны* материалов предъявляет новые требования и к технологии изготовления инструмента. Одно из главных требований - . снижение температуры изготовления .инструмента, поскольку термостойкость синтетических алмазов составляет величину порядка 700-950°С для разных видов и марок. Для уменьшения температуры изготовления инструмента, без снижения прочностных свойств связки, применяются прогрессивные методы порошковой металлургии и новые материалы для связок.

Особенно остро проблема снижения температуры при изготовлении алмазосодержащего инструмента встала при освоении отечественной промышленностью производства поли-кристаллпческих алмазов типа АСПК. Преимуществами этого алмазного сырья является его высокая твердость, статическая и динамическая прочность в сочетании с низкой себестоимостью. Причем себестоимость получения более крупных порошков с11II:+ 1 си м счет увеличения выхода их при дроблении по п;» ;.г|чч[| Однако недостатком поликристаллов АСПК

является низкая термостойкость, которая составляет 750°С при давлении 1 атм.

Цель, .работы. Разработать высокоэффективный алмазный камнеразрушающий инструмент на основе экономичного алмазного сырья отечественного производства, разработать новый класс связок для этого инструмента и припой для крепления рабочей слоя к корпусу, а также создать технологии изготовления инструмента с использованием новых материалов и определить наиболее эффективные области и режимы его применения.

Научная^.новизла. 1. На основе термодинамического анализа спрогнозировано и экспериментально подтверждено, что в системах никель -диборид титана и хрома образуются но-вые фазы, способствующие, наряду с механическим, адгезион-ному закреплению алмазов в связках на основе никеля получае-мых при температуре 1050°С и при давлениях 1,0-1,5ГПа.

2. Экспериментально - установлена связь между фазообразованием в системах никель -дибориды титана (хрома) и ростом твердости, абразивной стойкости связок, что позволяет оптимизировать их состав при изготовлении камне-разрушающего алмазного инструмента.

3. Экспериментально определена оптимальная нагрузка, прилагаемая к отдельному алмазному зерну при бурении. На этой основе разработана и экспериментально подтверждена методика расчета размеров алмазосодержащих секторов и промывочных пазов алмазной буровой коронки в зависимости от крупности и концентрации поликристаллических алмазов АРК4.

Практическая ценность. 1.Разработана методика спекания порошковых материалов в стальном контейнере в твердофазной камере п условиях квазишдростатического сжанш при давлении в 1,5 ГПа.

2. Разработаны новые прочные и износостойкие связки на основе N1 и добавок ТЖЬ О В, для камнеразрушающего алмазосодержащего инструмеитя изготавливаемою методом спекания при лаплении в 1,5 ГНа

3. Разработан припой на осноье N1' и СгП2 дня крепления алмазосодержащего слоя к корпусу алмазного инструмента непосредственно в процессе спекания при высоком давлении.

4. Проведено экспериментальное изучение влияния условий бурения, крупности и концентрации алмазов в коронках из поликрнсталлТпеских алмазов АРК4 на скорость проходки при бурении горных пород V1II-XI категорий буримости.

5. Разработана технология изготовления алмазных буровых коронок типа КСК и шлифовальных головок ШГК из поликристаллических алмазов АРК4 методом спекания при высоком давлении 1,5 ГПа.

6. Для создания нового алмазного инструмента с заданными .характеристиками проведен комплексный анализ механических свойств и абразивной стойкости как наиболее распространенных, так и разработанных в настоящей работе связок алмазосодержащего камнеразрушающего инструмента.

7. Разработан широкий спектр алмазосодержащего бурового, отрезного и сверлильного инструмента, полученного методом спекания при давлении в 1,5ГПа для различных условий эксплуатации.

Реализация работы. Производство буровых коронок КСК, шлифовальных головок ШГК внедрено на электромеханическом заводе (ЭМЗ) в Г.Лермонтов Ставропольского края, производство бурового, шлифовального, о~резного и сверлильного инструмента освоено опытным производством ИФВД РАН.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на конференции молодых ученых (Клев, ИСМ, 1980); на научно-практических конференциях: "Алмазный буровой инструмент" (г. Терек, 1984); "Алмазный инструмент" (Бургаз, Болгария, 1986); "Перспективный буровой инструмент" (Брно, Чехословакия, 1988); "Сверхтвердые материалы "(Киев, ИСМ, 1995); выставке-ярмарке (Лейпциг, Германия, 1995).

Публикации. По результатам диссертации опубликованы 11 научных трудов (в т.ч. 7 авторских свидетельств).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка литературы и приложений. Она содержит 169 страниц, в т.ч. 36 рисунков, 30 таблиц и списка литературы из 150 наименований цитируемых работ, трех приложений.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В обзоре литературы рассмотрены характеристики горных порол, свойства природных и синтетических монокристаллов и поликристаллом алмаза, применяемых для камнеобрабогки, методы изготовления камнеразрушающего инструмента, проведен обзор новых материалов, пригодных для получения износостойких связок алмазного камнеразрушающего инструмента.

Проведенный обзор литературы показал наличие большого числа алмазных материалов, пригодных для камнеразрушающего инструмента. К каждому виду инструмента предъявляются как общие, так и специальные требования. Основной показатель эффективности использования алмазного инструмента себестоимость производства единицы товарной продукции.

Обзор завершается заключением и постановкой задачи • исследования.

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

В главе приведено описание разработанного нами нового метода спекания порошковых материалов в стальном контейнере( объёмом до 3 дм3) в условиях высокого давления до 1,5ГПа. Приведены: расчет стального контейнера, схема сборки контейнера высокого давления, описание метода создания и контроля температуры и давления. Отдельный раздел посвящен методике испытания образцов связок на прочность и износостойкость.

РАЗРАБОТКА СВЯЗКИ ДЛЯ

АЛМАЗНОГО КАМНЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Для изготовления алмазного камиеразрушаюшего инструмента наиболее часто применяются связки на основе кобальта и на основе композиции твердый сплав - медь. Однако кобальтовые связки очень дороги, а связки на основе твердого сплава

требуют нагрева при изготовлении инструмента до очень высоких температур, превышающих термостойкость синтетических алмазов. --В настоящей работе в "качестве основы для разрабатываемых связок был выбран никель, широко применяемый при изготовлении инструмента из нетермостойких алмазов, например ЛРК4 и др. Из литературных данных известно, что термостойкость синтетических алмазов повышается с увеличением давления, но даже при давлении в 1,5 ГПа (максимально возможное рабочее давление в стальном контейнере) температура спекания инструмента с алмазами ЛРК4 не должна превышать 1050-1100°С из-за возможного снижения прочностных свойств алмазов. Для' повышения абразивной стойкости связки никель легировали диборидами титана или хрома. Выбор дпборидов титана и хрома, во-первых обусловлен тем, что они должны образовывать жидкую фазу с никелем при данных температурах. Наличие жидкой фазы должно активировать процесс спекания. Во-вторых, бориды титана, хрома и никеля обладают высокой твердостью, что должно приводить к увеличению общей твердости и износостойкости связки. В третьих, титан и хром являются карбидообразующими элементами. Образование карбидов на поверхности алмаза должно приводить к прочному адге-згонному его закреплению п связке.

В работе применяли карбонильный порошок никеля ППК-ОТ4 ГОСТ 9722-79, порошки диборида титана Т1В2 ТУ 6-09-03-775 и диборида хрома СгВ2 ТУ 6-09-03-385-76.

Образцы готовили по следующей методике. После взвешивания навесок порошков никеля и соответствующего легирующего компонента их смешивали в течение 3-х часов п смесителе типа "пьяная' бочка". Затем навеску полученной шихты, рассчитанную для изготовления беспористых брусков размером 7,5x7,5x40 мм, подвергали холодному прессованию. После чего собирали ячейку высокого давления, помешали в стальной контейнер и спекали образцы под давлением 1,5.ГПа и температуре 1050°С в течение 6 минут. Окончательные размеры образцов для механических испытаний получали шлифованием спеков.

Полученные образцы подвергал" механическим испытаниям на твердость, сжатие, изгиб, срез, а также определяли их абразивную стойкость. Поскольку данные по механическим свойствам связок алмазного камнеразрушаюшего инструмента в литературе представлены отрывочно, в настоящей работе проводили также испытания образцов стандартных связок на основе никеля, кобальта и твердого сплава (Мб - 02). Образцы свиюк

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 9722-79 в графитовой пресс-форме при давлении 30 МПа и температуре 750°С в течение 6 минут и в стальной пресс-форме при давлении 1,5 ГПа и температуре 1050°С в течение 6 минут. Образцы связки на основе никеля с 10 % ВК15 получали

спеканием под давлением_1,5 ГПа и температуре 1050°С в

течение 6 минут.

Проводили испытание на сжатие (определяли предел прочности (асж), предел текучести (с1СЖ) и усадку (е,?о)); изгиб (определяли предел прочности (стии ), предел текучести (сттизг) и полный прогиб (0); срез (определяли предел прочности (стсрез); измеряли твердость по методу Роквелла и абразивную стойкость. На рис. 1-4 представлены зависимости механических свойств образцов связок на основе композиций • М1-Т1В2 и ТчП-СгВ2 от состава. Механические свойства образцов, разработанных (для оптимальных составов) и стандартных связок представлены в таблице 1.

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. 2

При сравнении данных, представленных в табл. 2 с соответствующими диаграммами состояния можно сделать вывод, что условия спекания образцов не позволяют достигнуть равновесного состоянии для сплавов изученных систем. Причем в системе МьСгВ2 взаимодействие идет интенсивнее.

Шлифы образцов связок для проведения металлографического анализа травили в концентрированной азотной кислоте Н>Ю3 в течение 5-10 с. Металлографическое исследование показало, что сплавы системы никель-диборид титана имеют трехфазную структуру во всем изученном диапазоне концентраций (до 30 % ПВ2). Блестящие- включения представлены фазами на основе диборида титана. Микротвердость включений в сплавах

Таблица I

Мехацнческне свойства образцов стандартных и разработанных связок

№ Состав {%) Изгиб Сжатие Сре 3 Из-

спяз ки и условия получения СТпр МПа о-.. МПа г, мм. СТсж. МПа МПа Е, % Стер. МПа нос, мг.

Сг.1 N¡+10% ВК15 1,5 ГПа; 1050°С 900 660 1,45 960 500 43 310 360

Ст.2 ВК15+Си водород, 1250°С 960 960 0,39 1120 840 18 310 • 440

Ст.З Со-1,5 ГПа; 1050°С 600 600 0,36 910 830 4,2 150 390

Ст.4 Со-30 МП а; 750°С) 800- 530 1,02 1090 420 23 250 ' 435

Опы тная 1 N1 + (310) Т1В2 500700 500700 0,34 0,45 700800 450530 20 30 200250 235350

Оны тная 2 N1 +■ (820) СгВ2 500900 500800 0,35 0,68 800900 500700 10 35 200250 190 250

с содержанием 5% ТШ2 достигает 8 ГПа; с содержанием 30% ПВг достигает 27 ГПа. Блестящие включения окружены серой фазой -фазой на основе никеля, микротвердость которой прак-тически не менялась во всем изученном диапазоне концен-траций (до 30% Т'|'В2) и составляла 1,4-1,6 ГПа. На границе бле-стящ,их включений и серой фазы наблюдалась промежуточная фаза не имеющая четко выраженных границ. С повышением концентрации ТП}2 в никеле количество твердых частиц новы-

Зависимость предела прочности ( О сж ), предела текучести (От.) (а) и осадке (Е) (6) образцов при испытанна на сжатие от содержания Т1В2 (1) в СгВ] (2)

в никеле

Оск .От.. МПа 1200

1100 1000 900 800

400 300

■ -д обавка Сз В2

• -д эбавка Т] В2 Ос*

• ;- г От

/ -

Осж

ат.

•

№

10 15 " 20 Т1В2,(СгВ2),мнс.%

РисЛа

25

30

10 15 20 71Вг.(СгВ2), иас.%

Рис.! б

Зависимость предела прочности (Овзг), предел« текучести (От ) (а) н прогиба (!) (6) образцов при испытания на изгиб . т от содержания "ПВ} (1) и СгВ'з (2) в никеле

Онзг.,0 т., МПа

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

№

\ > ----

\/ Оизг.

Л

О нет. _

О т. \

\

ч.

10 15 20

Т®2 .(СгВг), кас.И

Рис. 2а

Т1В2, (СгВ2 ), мзс.%

25

30

Рис. 26

Зависимость предел» прочности ( О срез.) обрюцов при испытании на срез от содержания Т®2(1) и СтВ}® в никеле

Т1В з (СгВ 2X масУо . Рис. 3

Зависимость полной убыли массы образцов при испытания аа истирание от содержи вяТШ 2 (1) в СгВз(2) в никеле

ГП,МГ.'

15 20 25 30

Тт7(СгВ3),мас.%

Гнс. 4

Таблица 2

Фазовый состав образцов связок

Состав связки, % Фазовый состав образца, %

N ¡-5%Т1 В2 N¡-30%™, твердый р-р на основе N¡-90%; Т1В2-3%;№20Т;3В6-7?о твердый р-р на основе N¡-72%; Т1В2-8%;МьоТ13В6-20% твердый р-р на основе N¡-62%; ТШ7- 16%;Ыц,Т1,В,,-22%

№-5%СтВ2 N ¡-1 5%СГВ2 №-30%СгВ, твердый р-р на оснопе№-94%;СгВг2,5%№2В+№3В-3,5% твердый р-р на основеМ-85%;СтВг4,6%;№2В+№3В-10% твердый р-р на основе№-77%;СгВ,-10%;№,В+№,В-13,4%

шаетсл, растет и их микротвердость. Существенного повышения микротвердости фазы на основе никеля не происходит, не происходит и увеличения твердости образцов, измеренной методом Роквелла. Проведенный фрактографический анализ изломов образцов сплавов системы никель '- диборид титана свидетельствует, что качественного изменения характера изломов с повышением содержания Т|В2 не происходит. Увеличивается число округлых частиц на поверхности излома. В целом можно сделать следующее заключение, что условия спекания образцов системы никель -диборид титана не достаточны для протекания процесса активного химического взаимодействия частиц никеля и диборида титана. При небольших количествах Т1В2 (рис.4) 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 Т1В2 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 Т1В2 п никеле следует считать содержание от 3 до 10 %.

Металлографическое изучение образцов связок системы никель -диборид хрома показали (также как и для системы никель -диборид титана), что микроструктура сплавов не однородна. Но можно выделить две структурных составляющих. Это серая фат на основе никеля и темные округлые включения (до 10-12 % СтВг) или серая фаза на основе никеля и блестящая округлая фаза им основе диборида хрома (при содержании СтВ2 более 12 °'о). 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-видимому 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 меж-кристаллитного к частично транскристаллитному разрушению. Сопоставление результатов металлографического и рентгено-фазового 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 микротвердостп-рачительно 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 за счет чисто механического или сочетания мехами .еского 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 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 1,5ГГ1а, при температуре 1050 °С в течении 6 минут были приготовлены образцы следующих составов 50 %(об.) (никель-15 % СгВ2) - 50 %(об.) алмаз марки АСМ 40/28 (I); 50 %(об.) (иикель-5 % ПВ2)- 50 %(об.) алмаз марки АСМ 40/28 (II). Повышенное (по сравнению с применяемым в инструменте) содержание мелкого алмазного порошка использовали для создания большой межфазной поверхности контакта алмаз -связка. Образцы шлифовали и проводили рентгенофазовый анализ. Результаты, рентгенофазового анализа представлены в табл. 3. Из представленных в табл.3 данных следует, что н системе никель -диборид титана -алмаз не образуется фазы Ы120Т13В6, 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 будет дополнительно наблюдаться и адгезионное закрепление алмазных зерен, поскольку методом РФА обнаружено карбидообразование.

Таблица 3

Фазовый состав алмазосодержащих образцов

Номер партии образцов Фазовый состав образцов после спекания под давлением

1 твердый р-р на основе N1 (период решетки а=3,52 анг.), алмаз, СгВ2, №2В-№3В, Сг23С6

11 твердый р-р на основе № (период решетки а=3,53 анг.), алмаз,Т1В2,Т12В5

РАЗРАБОТКА ПРИПОЯ ДЛЯ ПАЙКИ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩЕГО СЛОЯ К КОРПУСУ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ АЛМАЗНОГО П О РОД О РАЗ РУ Ш А Ю Щ Е ГО ИНСТРУМЕНТА

Алмазный нородоразрушаюший" инструмент состоит из алмазосодержащею слоя и стальною корпуса. Алмазосодержащий слой крепится к корпусу либо механически, либо пайкой. В настоящей работе была поставлена задача разработать припой, который бы позволил получать целое изделие за один цикл

спекания под давлением, без дополнительной операции пайки. На основе полученных результатов по композициям №-СгВ2 и №-Т1В2, для исследований были изготовлены двухслойные образцы из стальной подложки и шихты припоя (никель легировали диборидом хрома для снижения температуры плавления). Содержание диборида хрома варьировали 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.4.

Таблица 4

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) №-6СгВг 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 но 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 стали превышает прочность самого припоя. Введение дибори -а хрома в никель в количестве 8-15 % обеспечивает прочность крепления алмазосодержащего слоя к корпусу выше прочности и припоя, и алмазосодержащего слоя. Поэтому введение диборида хрома в никель более 15 % не целесообразно »п-за снижения прочности самою припоя.

РАЗРАБОТКА АЛМАЗНОГО КАМНЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

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

В настоящей работе на основе метода спекания при давлении в 1,.5 ГПа с использованием алмазов АРК4, обладающих необходимыми прочностными свойствами и низкой стоимостью, был разработан целый ряд коронок КСК (коронка из синтетических "карбонадо") для различных условий эксплуатации. При изготовлении коронок использовали алмазы АРК4 фракций от 1600/1250 до 630/500 в алмазосодержащем слое. В качестве подрезных использовали' алмазы АР1С4 2000/1600. Была •разработана следующая технология изготовления коронок. Прессовали нагреватель профильнчго типа из графито -катлинитовой шихты (с вкладышами под промывочные окна) в пресс-форме, укладывали подрезные алмазы по определенной схеме, засыпали в каждый алмазосодержащий сегмент навеску гранулированной алмазной шихты, засыпали шихту припоя, вставляли 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. 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 АРК4. Процесс грануляции заключается в изготовлении однородных гранул, состоящих из центрального ядра (частицы АРК4) и нанесенного на нее слоя связки. Твердость связки после спекания составляла от 20 до 35 ед. Ш1Сэ. Опытные коронки испытывали на стенде СКБ ВПО "Союзгостехника",- на станке мод. СБА-500. Бурение, проводили но блокам лабрадорита и габбро У111-1Х 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 кар./м. Механическая скорость бурения достигала 10-15 см./мин. Высокая прочность конструкции коронок обеспечивала их стабильную эксштуатацпю на форсированных режимах бурения при осевых

нагрузках до 20кН и частоте вращения до 1250 об/мин. Зависимость механической скорости бурения Уме> от осевой нагрузки при различных частотах вращения и зернистости объемных алмазов опытных коронок представлены на рис.5. Из данных, представленных на рис.5, следует, что повышение частоты вращения коронки, увеличение осевой нагрузки и увеличение зернистости алмазов АРК4 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 алмазов АРК4 практически не зависит от их размера, становится возможным использовани<' крупных фракций алмазных порошков. Скорость проходки при увеличена]! фракции алмазов от 630/500 до 1600/1250 возрастает в 3-4 раза при бурении пород УПЫХ 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 АРК4. Такая температура недостаточна для протекания активного химического взаимодействия стального корпуса коронки с алмазосодержащей матрицей. При форсированных режимах бурения наблюдалось отслоение алмазосодержащего слоя от стального •корпуса. Применение корпуса, гальванически покрытого никелем, и специального разработанного нами припоя, включающего 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 коронок проводили на плановых скважинах Печенегской ГРП (Кольский полуостров). По результатам стендовых и производственных испытаний определена оптимальная нагрузка на отдельное алмазное зерно и, учитывая это, предложена методика расчета размерог алмазосодержащих секторов коронки в зависимости от крупности применяемых алмазов и их концентрации в алмазосодержащем слое, разработаны конструкции буровых коронок для массового производства. Результаты работы коронок при бурении горных пород различных типов представлены в табл. 5.

Коронки КСКИ и АКСК разработаны в рамках настоящей работы. Коронки 02ИЗ и 01АЗ из природных алмазов производства КБЗАИ г. Терек. Для бурения пород IX - XI категорий

Зависимость механической скорости бурения Vmcx. от осевой нагрузки Foc. при различных частотах вращения инструмента и зернистостях объемных алмазов опытных коронок

VMCX, М/мин. 0.16

0.14

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0 02

Sy

А

/У У

/ , у___

J

10 15

Оеквяя нагрузка (Foc ), кН

20

1 - 450 об /мия., 630/500; 2 - 600 об 'мин.. $30/500. 3- 450 об/мин.. 1000/800, 4-450 «б /мин., 1600/1250. 5-1 ?50об /мия. ,1000/800, 6-600^6 /мин.. 1600/1250

Риг 1

Таблица 5.

Результаты бурения пород различного типа

Режимы бурения Сред-

Содер Осе- Частота няя Средняя Удель-

Вид и категория горных Тип буро- жание вое вращения проход меха- ный

вых коро- алма- уси- коронки, ка на ническая расход

пород нок зов, лие, об/мин коронк скорость алмазов,

карат кН ' у, м бурения, карат/м

м/мин.

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

товые окварцованные КСКИ-59 17,5 7-12 360-370 8х 2,7 0,44

роговики, песчаники, 02ИЗ-59 11.2 13,5 2,7 0,83

скарны, граниты (1Х-Х1)

Кварциты, гнейсы, сие- АКСК-76 19,0 33,6 2,7 0,56

ниты, кристаллические КСКИ-76 24,0 6-12 280-710 34,8 2,1 ,3,69

сланцы (1Х-Х1) 02ИЗ-76 15,6 15,7 1,7 0,99

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

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

ванные гнейсы (1Х-Х1)

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

ные туфы, габбродиабазы КСКИ-59 17,5 8-12 340-780 59,7 3,75 0,29

(УШ-1Х) Э1АЗ-59 7,5 18,4 1,9 0,41

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

буримости была разработана коронка АКСК. В этой коронке были использованы как износостойкие крупные алмазы АРК4, так и дефектные мелкие дешевые Шлифпорошки АС6 (АС 15) 200/160. Это позволило применять коронки КСК для пород Х-Х1 категорий буримости. По нашему мнению, процесс бурения коронками АКСК протекает следующим образом. При осевом нагружении коронки происходит внедрение алмазов в горную породу. В ней происходит образование 3-х зон: смятия и раздавливания, выкола и предразрушенйя. Глубина зоны предраз-рушения 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 шлифпорошки АС6 (А^С15) 200/160. Наличие большего количества алмазов на поверхности коронки способствует образованию трещин в горной породе. Но поскольку прочностные и абразивные свойства применяемых шлифпорош-коп алмазов значительно уступают алмазам АРК4, то всю силовую нагрузку воспринимают именно эти алмазы, но контактируют они с ослабленным слоем горной породы. После удаления этого слоя происходит заглубление коронки и акты образования предразрушенного слоев и разрушенного повторяются.

Разработанная технология изготовления алмазного инструмента применяется при изготовлении шлифовальных головок (ШГК), отрезного и сверлильного инструмента. При применении шлифголовок ШГК-95 (шлифовальная головка карбонадо) из алмазов АРК4 2000/1600 на износостойкой связке никель -диборид хрома с твердостью 25ед.НЯСэ при шлифовании бетонных полов, затраты на инструмент в 5 раз ниже, чем при использовании широко применяемых абразивных шарошек или сегментов без учета выигрыша в стойкости и- производительности. При инотопшении отрезного и сверлильного камнеразрушаюшет инструмента разработанные износостойкие связки позволяют заменить дорогостоящие кобальтовые связки без снижения стойкости и производительности инструмента.

ВЫВОДЫ

I Проведено изучение спекания образцов связок состава никель-диборид хрома, никель -диборид титана при давлении

1,0-1,5ГПа в твердофазной камере высокого давления. Установлено, что спекание при температуре 1050°С в течение 6 минут протекает в присутствии жидкой фазы, способствующей активному химическому взаимодействию в указанных системах.

2. Установлено, что добавки диборидов титана или хрома в никель приводят к повышению износостойкости связок, спеченных при. давлении 1,5ГПа в 1,5-2,0 раза, что обусловлено взаимодействием в системах никель -диборид хрома, никель -диборид титана с образованием новых фаз №20И|зВ6 и №3В(№2В), соответственно. Оптимальными составами для разработанных связок являются:

N1 - 3-10 %ттъ N1 - 8-20 %СгВ2.

3. Экспериментально установлено, что в образцах систем никель -диборид хрома -алмаз, никель -диборид титана -алмаз (при оптимальном содержании диборидов), спеченных при давлении 1,5ГПа и температуре 1050°С в течение 6 минут, наблюдается взаимодействие, связанное с растворением диборидов и алмаза в никеле, а также происходит образование карбида Сг23С5 в системе никель -диборид хрома -алмаз.

4. Разработан новый тип припоя для пайки алмазосодержащего слоя к корпусу при изготовлении алмазного камнераз-рушающего инструмента. Установлено, что припой состава 8-15 % СгВ2 позволяет надежно прикреплять алмазоносный, слой к стальному корпусу при условии его .предварительного никелирования методом электрохимического осаждения.

5. По результатам исследования разработана технология серийного изготовления в производственных условиях широкой номенклатуры алмазного инструмента с использованием разработанных связок методом спекания под давлением до1,5ГПа, включающая в себя стадии грануляции алмазосодержащей шихты, сборки алмазных элементов, спекания под давлением и окончательную механическую обработку.

6. Проведено изучение процесса бурения горных пород VI-IX категорий буримости коронками КСК. Установлена оптимальная концентрация алмазов АРК4 и их фракционный состав, общее содержание и количество алмазосодержащих секторов в коронке для бурения пород разных категорий буримости. Производственные испытания показали, что механическая скорость бурения коронками КСК в 1,5-1,7 раза выше, чем серийными коронками с природными алмазами, причем общий ресурс работы разработанных коронок значительно выше.

7. Создано производство буровых коронок КСК и шлифовальных головок ШГК rio разработанной технологии на ЭМЗ г.Лермонтова Ставропольского края и Томилинском заводе алмазного инструмента, технология изготовления сверлильного и отрезного алмазного инструмента освоена опытным производством Института физики высоких давлении РАН.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Довбня A.B., Коняев Ю.С., Бугаков В.И. Импрегннрованные коронки для геологоразведочного бурения горных пород, // Алмазы и сверхтвердые материалы. - 1973. -

2. Довбня A.B., Бугаков В. И., Коняев Ю.С. Высокоэффективное бурение горных пород высокой твердости коронками на основе АСПК. // Алмазы и сверхтвердые материалы.-1982, №3,с.7-8.

3. A.c. 650759. Припой для пайки металлокерамнческой алмазоносной матрицы со стальным корпусом инструмента. / Бугаков В.И., Довбня A.B., Коняев Ю.С.

4. A.c. 730473. Способ изготовления сборного инструмента. /Довбня A.B., Коняев Ю.С., Бугаков В.И. и др.

5. A.c. 853905. Припой для пайки алмазоносной металлокерамнческой матрицы со стальным корпусом инструмента. / Бугаков В.И., Довбня A.B.

6. A.c. № 1167840. Связка для изготовления абразивного инструмента./ Бугаков В.И., Довбня A.B., Коняев Ю.С. и др.

7. A.c. 1192955. Способ изготовления алмазного инструмента. / Довбня A.B., Бугаков В.И., Коняев Ю.С.

8.A.c. 1707180. Алмазная буровая коронка. / Алеутским E.R., Киселев А.Т., Орлов В.И., Довбня A.B., Бугаков В.И и др.

9.A.c. 1781412. Алмазная буровая коронка. / Орлов В.И., Алеутский Е.В., Довбня A.B., Бугаков В.И. и др.

10.Бугаков В Н., Елютин A.B., Караваев K.M., Лаптев А.И., Подушин H.H. Свойства связок алмазного камнеразрушаюшего инструмента. Известия ВУЗОВ Цветная меитплургкя. Принято к печати.

11.Бугаков В.И., Елютин A.B., Караваев K.M., Лаптев А.И., Полушин Н И. Новый тип связок алмазного камиеразрушающего инструмента на основе никеля легированного днборидами титана и хрома. Известия ВУЗОВ. Цветная металлургия, Принято к печати.