Применение высоких давлений и методов порошковой металлургии для изготовления алмазного инструмента
The mechanism of strengthening of diamond grain together with binding agent when manufacturing the stone-crushing diamond instrument by hot compaction under the high pressure has 
 been investigated. Application of high pressures of hot compaction for the compositions of nickelchromium (tita...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21782 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Применение высоких давлений и методов порошковой металлургии для изготовления алмазного инструмента / В.И. Бугаков, А.А. Поздняков // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 207-211. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860031252875182080 |
|---|---|
| author | Бугаков, В.И. Поздняков, А.А. |
| author_facet | Бугаков, В.И. Поздняков, А.А. |
| citation_txt | Применение высоких давлений и методов порошковой металлургии для изготовления алмазного инструмента / В.И. Бугаков, А.А. Поздняков // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 207-211. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | The mechanism of strengthening of diamond grain together with binding agent when manufacturing the stone-crushing diamond instrument by hot compaction under the high pressure has 
been investigated. Application of high pressures of hot compaction for the compositions of nickelchromium (titanium) diboride results in additional mechanical strengthening of diamond grains 
together with binding agent at the cost of difference of coefficients of thermal expansion of diamond 
and binding agent.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:51:49Z |
| format | Article |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
207
3. Collins A.T., Kanda H., Kitawaki H. Colour changes produced in natural brown diamonds
by high-pressure, high-temperature treatment // Diamond and Related Materials. – 2000. –
9. – Р. – 122.
4. De Weerdt F., Collins A.T. The influence of pressure on high-pressure, high-temperature
annealing of type Ia diamond // Diamond and Related Materials. – 2003. – 12. – P. 507–510.
5. The aggregation of nitrogen and the formation of A centers in diamonds / I. Kiflawi, H.
Kanda, D. Fisher et al. // Diamond and Related Materials. – 1997. – 6.– P. 1643–1649.
6. Хвостанцев Л. Г. Аппараты высокого давления большого объема для физических ис-
следований // Успехи физ. наук. – 2008. –178, № 10. – С. 1099–1104.
7. Колчеманов Н. А. Совершенствование технологии синтеза и применение технических
алмазов в промышленности. – Диссерт. ... д-ра техн. наук в форме науч. докл.:
05.17.11. – М.: – 1998.
8. Mendelssohn M.J., Milledge H.I. Geologically significant information from routine analysis
of the mid-infrared spectra of diamonds // Inter. Geol. Rev. – 1995. – 37.– P. 95–110.
Поступила 22.06.09
УДК 621.762.5:679.826
В. И. Бугаков, д-р техн. наук, А. А. Поздняков, канд. техн. наук
Институт физики высоких давлений РАН г. Троицк
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ И МЕТОДОВ ПОРОШКОВОЙ
МЕТАЛЛУРГИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛМАЗНОГО ИНСТРУМЕНТА
The mechanism of strengthening of diamond grain together with binding agent when manu-
facturing the stone-crushing diamond instrument by hot compaction under the high pressure has
been investigated. Application of high pressures of hot compaction for the compositions of nickel-
chromium (titanium) diboride results in additional mechanical strengthening of diamond grains
together with binding agent at the cost of difference of coefficients of thermal expansion of diamond
and binding agent.
Алмазосодержащий инструмент, как правило, состоит из стального корпуса и слоя
композиционного материала, в котором одним из компонентов является металлическая или
металлокерамическая матрица (связка), а другим –равномерно распределенные в ней зерна
алмаза. Связка алмазного инструмента предназначена для прочного закрепления алмазного
зерна и удержания его во время резания материала.
Настоящая работа посвящена изучению влияния высокого давления в процессе изго-
товления алмазного инструмента на сохранение физико-механических свойств алмазного
сырья; анализу действующего давления на алмазное зерно вследствие различия разницы ко-
эффициентов термического расширения (к.т.р.) после снятия приложенного давления и тем-
пературы; выбору материала связки соответственно выдвинутым условиям.
В процессе создания инструмента и при его работе зерна алмаза циклически нагрева-
ются. В большинстве традиционных технологий изготовления алмазосодержащего инстру-
мента применяют температуру 700–1400 °С. Поскольку в таких условиях алмаз является
термодинамически неустойчивой фазой, его прочностные свойства снижаются. Как известно,
повышение давления увеличивает порог терморазупрочнения алмазного сырья. Так, повы-
шение давления до 3,0–5,0 ГПа повышает температуру разупрочнения синтетических алма-
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
208
зов до 1673 К, причем порог терморазупрочнения 1373 К достигается при давлении 0,5–1,0
ГПа [1].
Авторами было исследовано следующее алмазное сырье, используемое при изготов-
лении алмазосодержащего инструмента: синтетические алмазы фирмы De Beers SDB 1100,
природные алмазы А4, синтетические алмазы АС125, поликристаллические алмазы АРК-4
[2]. Алмазы SDB 1100 и А4 отличаются высокой начальной температурой разупрочнения по
сравнению с алмазами АС125 и АРК-4. При этом давление составляет 0–4 ГПа, температура
– 25–1200 °С. Повышение давления для порошков АРК-4 и АС125 до 1,5 ГПа приводит к
значительному повышению температуры разупрочнения в отличие от алмазов фирмы De
Beers SDB 1100 и природных алмазов А4. Применение давления более 2,5 ГПа и высокой
температуры при изготовлении алмазного инструмента в камерах большого объема – слож-
ная технологическая проблема. Оптимальным режим горячего прессования считается при
давлении 1,0–2,0 ГПа и температуре не более 1050 С, что позволяет сохранить физико-
механические характеристики применяемого в инструменте алмазного сырья.
При изготовлении инструмента предъявляются следующие основные требования к
связкам для алмазного инструмента:
прочность (чтобы воспринимать без разрушения передаваемые алмазными зернами механи-
ческие нагрузки);
абразивная стойкость (поскольку в процессе работы алмазного инструмента связки сущест-
венно влияет образующийся высокоабразивный шлам);
высокое алмазоудержание;
температура спекания не выше 1050 С;
возможность паяния латунными и серебряными припоями;
технологичность (чтобы при изменении состава связки без существенного изменения техно-
логических режимов спекания она приобретала требуемые механические свойства.
Наилучшими механическими свойствами обладают связки на основе порошков твер-
дого сплава. Однако такие связки можно использовать только для алмазов с высокой темпе-
ратурой разупрочнения. Низкотемпературные связки либо обладают низкой прочностью (на
основе меди), либо очень дорогие (на основе кобальта). Для достижения высокой твердости
необходимо использовать связки на основе композиций Ni–ВК15, Ni–TiB2, Ni–CrB2. Однако
чтобы получить высокопрочные спеченные композиции, не достигая температуры разупроч-
нения алмазного сырья, необходимо использовать давление не менее 1,0–1,5 ГПа. На про-
цесс спекания порошковых композиций кроме внешнего давления существенно влияет на-
личие жидкой фазы. Характер взаимодействия металлов семейства железа с тугоплавкими
соединениями основательно изучен в [2]. В частности, изучена температура начала образо-
вания новой фазы и появления жидкой фазы в системах «железо (никель) – тугоплавкое со-
единение». Минимальная температура образования жидкой фазы – 1000 °С – наблюдается в
сплавах никеля с диборидами тугоплавких металлов: хрома, титана и циркония (табл. 1).
Таблица 1. Температуры начала образования новых фаз в системах «железо (никель) –
тугоплавкое соединение»
Система Температура появления новой
фазы, °С
Температура оплавления металлической
фазы, ОС
Ni–TiB2 – 900–1000
Ni–CrB2 – 900–1000
Ni–ZrB2 – 900–1000
Fe–TiB2
Fe–CrB2
Fe–ZrB2
1200
1000
1200
1300
1100
1400
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
209
Схема расположения
алмазного зерна в связке:
1 – алмазное зерно;
2 – связка
В качестве легирующих компонентов в связку на основе никеля были выбраны дибо-
риды титана и хрома по следующим причинам. Во-первых, из-за низкой температуры разу-
прочнения синтетических алмазов температура спекания их со связкой не должна превышать
1050–1100 С даже при давлении в 1,5 ГПа. При такой температуре в «системе никель – ди-
борид хрома (титана)» образуется жидкая фаза в микрообъемах (в местах контактирования
частиц), которая должна активировать процессы химического взаимодействия компонентов
и спекания, что подтверждается значениями краевых углов смачивания, приведенными в
табл. 2.
Таблица 2. Значения краевых углов смачивания алмаза и диборидов титана и хрома
расплавом никеля
Подложка Состав расплава Температура, С , град
Алмаз никель 1470 65
TiB2 никель 1250 46
CrB2 никель 1180 25-40
CrB2 никель 1250 15
Во-вторых, используемые дибориды титана и хрома обладают высокой твердостью,
что должно способствовать повышению общей твердости и износостойкости композиции.
Результаты механических испытаний образцов связок, полученных при температуре 1050 С
и давлении 1,5 ГПа в стальной многослойной камере, приведены в табл. 3.
Таблица 3. Механические свойства образцов изученных связок
Анализируя данные табл. 3, приходим к выводу, что связка на основе никеля обладает
высокими механическими свойствами, абразивной стойкостью и высокой пластичностью.
Важным фактором для закрепления алмазного зерна в связке при высоком давлении
является различие значений коэффициентов термического
расширения алмаза и ингредиентов связки. Поскольку в
инструменте алмазосодержащий композиционный
материал состоит из компонентов с отличающимися к.т.р.,
после процесса горячего прессования на алмазные зерна
будут действовать дополнительные силы. Для оценки
давления, действующего на алмазное зерно после спекания,
предложена следующая схема расчета. Система, показанная
на рисунке, состоит из порошкообразной
металлокерамической связки с расположенным внутри нее
алмазным зерном. После приложения к этой системе
высокого давления и повышения температуры частицы
связки сближаются и исчезают возможные поры внутри порошковой массы и вокруг алмаза.
В результате пластического течения образуется монолитная масса связки вокруг ал-
маза, которая равномерно всесторонне обжимает алмаз. Это позволяет исключить поры во-
Механические испытания
на изгиб на сжатие на срез Состав связки, % на твер-
дость HRB
(HRC)
пр,
МПа
т,
МПа
f, мм пр,
МПа
т,
МПа
, % пр, МПа
Ni + 15 % CrB2
93–97
(17–19) 720 720 0,42 850 610 20 245
Ni + 15 % TiB2 86–88 510 510 0,29 700 550 17 180
Ni + 10 % ВК15 81–82 900 660 1,45 960 500 43 310
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
210
круг алмаза, что в дальнейшем благоприятно повлияет на закрепление алмаза. Охлаждение
системы «алмаз–связка» ведет к термической усадке материала и в связи с различными ко-
эффициентами термического расширения алмаза и связки – к еще более сильному обжатию
алмаза. Снятие внешнего давления ведет к разгрузке системы, однако дополнительное обжа-
тие алмазного зерна, вызванное различными к.т.р., продолжает удерживать алмаз в связке.
Рассчитаем давление связки на алмазное зерно после охлаждения. Для этого рассмот-
рим сферический алмаз радиуса r, окруженный связкой в виде сферы радиуса R, как камеру
высокого давления (см. рисунок).
Внутреннее давление, которое необходимо приложить к связке для увеличения радиу-
са R на R.
K
P
V
V
, (1)
где К - модуль объемного сжатия или объемной упругости, который равен:
213
ЕК , (2)
Е – модуль упругости материала связки; – коэффициент Пуассона материала связки.
Термическое расширение пространства вокруг алмаза приводит к увеличению радиу-
са R на величину R.
tRR , (3)
где – коэффициент линейного расширения; t – перепад температур при нагревании связ-
ки.
С учетом небольших размеров алмаза по сравнению с массой связки можно считать
0
R
r . Такое же увеличение радиуса R, как по формуле (3), при создании внутреннего дав-
ления произойдет при давлении
21R
REP (4)
Таким образом, давление связки на зерно алмаза после охлаждения системы «алмаз –
связка»
21
tEP (5)
Подбирая материал связки с различными коэффициентами термического расширения
и механическими свойствами, можно добиться различного давления связки на зерно алмаза.
Расчетные значения давления связки на алмаз после охлаждения системы от температуры
1000 С для часто применяемых основ металлических связок приведены в табл. 4.
Таблица 4. Расчетные значения давления связки на алмазное зерно
Материал
связки 10-6, 1/град Е, ГПа р, MПа р, ГПа
для t = 1000 С
Ni 15 200 0,3 7,5t 7,5
Cu 18 120 0,34 6,7t 6,7
W 4,5 400 0,22 3,2t 3,2
Co 12,3 210 0,3 6,5t 6,5
Из данных, приведенных в табл. 4, следует, что применение технологии горячего
прессования при высоком давлении и использовании всех представленных металлов в каче-
стве основы связки приводит к повышению давления на алмазное зерно, что улучшает за-
крепление зерна в связке и повышает температуру разупрочнения алмаза. В этой связи ис-
пользование высоких давлений для изготовления алмазного инструмента является перспек-
тивным направлением разработки различных способов получения широкой гаммы алмазного
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
211
инструмента, особенно из синтетических алмазных материалов, которые имеют низкие тем-
пературы разупрочнения.
Выводы
1.Обоснована перспективность использования высоких давлений для изготовления
алмазного инструмента.
2. Теоретический анализ механизма закрепления алмазного зерна в связке алмазного
инструмента подтверждает, что применение высоких давлений приводит к его дополнитель-
ному механическому закреплению за счет различия коэффициентов термического расшире-
ния алмаза и металлокерамической связки.
Литература
1. Верещагин Л. Ф., Коняев Ю. С., Довбня А. В. Термостойкость поликристаллических
образований алмаза и боразона при давлении до 50 кбар в условиях их спекания с ме-
таллокерамическими связками //Алмазы. – 1970. – № 4. – С. 1–5.
2. Юрченко О. С. Исследование устойчивости железа и никеля при нагреве в контакте с
тугоплавкими соединениями // Порошковая металлургия. – 1971. – № 1. – С. 45–49.
3. Бугаков В. И. Термостойкость алмазных материалов // Изв. ВУЗов. Цвет. металлур-
гия. – 2005. – № 5. – С. 25–28.
Поступила 05.06.09
УДК 621.921.34-2:622.24.05
Г. П. Богатырева, д-р техн. наук, Г. Д. Ильницкая, Г. А. Петасюк,
Р. К. Богданов, А. М. Исонкин, А. П. Закора, кандидаты технических наук
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
АЛМАЗНЫХ ШЛИФПОРОШКОВ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА
Results of research of influence of physicomechanical properties of diamond powders on
operational characteristics of the drill bits are considered. Essential influence durability character-
istics of grains of synthetic diamonds on working capacity of the drill bits is experimentally con-
firmed. Analytical dependence of influence of physicomechanical properties of synthetic diamonds
on working capacity of diamond drill bits is received.
Введение.
Современная тенденция развития процесса бурения горных пород заключается во все
более широком использовании для оснащения бурового геологоразведочного инструмента
синтетических алмазов. При этом работоспособность инструмента существенно зависит от
качества применяемых алмазов. В результате совершенствования процесса синтеза ведущи-
ми зарубежными фирмами получены высокопрочные алмазы, из которых могут изготовлять-
ся высокопрочные порошки синтетического алмаза марок АС200 – АС400 [1].
Результаты исследований свидетельствуют, что серийные высокопрочные алмазные
шлифпорошки, синтезированные в разных ростовых системах, как правило, неоднородны по
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-21782 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:51:49Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бугаков, В.И. Поздняков, А.А. 2011-06-17T12:12:44Z 2011-06-17T12:12:44Z 2009 Применение высоких давлений и методов порошковой металлургии для изготовления алмазного инструмента / В.И. Бугаков, А.А. Поздняков // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 207-211. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21782 621.762.5:679.826 The mechanism of strengthening of diamond grain together with binding agent when manufacturing the stone-crushing diamond instrument by hot compaction under the high pressure has 
 been investigated. Application of high pressures of hot compaction for the compositions of nickelchromium (titanium) diboride results in additional mechanical strengthening of diamond grains 
 together with binding agent at the cost of difference of coefficients of thermal expansion of diamond 
 and binding agent. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Применение высоких давлений и методов порошковой металлургии для изготовления алмазного инструмента Article published earlier |
| spellingShingle | Применение высоких давлений и методов порошковой металлургии для изготовления алмазного инструмента Бугаков, В.И. Поздняков, А.А. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| title | Применение высоких давлений и методов порошковой металлургии для изготовления алмазного инструмента |
| title_full | Применение высоких давлений и методов порошковой металлургии для изготовления алмазного инструмента |
| title_fullStr | Применение высоких давлений и методов порошковой металлургии для изготовления алмазного инструмента |
| title_full_unstemmed | Применение высоких давлений и методов порошковой металлургии для изготовления алмазного инструмента |
| title_short | Применение высоких давлений и методов порошковой металлургии для изготовления алмазного инструмента |
| title_sort | применение высоких давлений и методов порошковой металлургии для изготовления алмазного инструмента |
| topic | Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| topic_facet | Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21782 |
| work_keys_str_mv | AT bugakovvi primenenievysokihdavleniiimetodovporoškovoimetallurgiidlâizgotovleniâalmaznogoinstrumenta AT pozdnâkovaa primenenievysokihdavleniiimetodovporoškovoimetallurgiidlâizgotovleniâalmaznogoinstrumenta |