Композит алмаз – карбид вольфрама для бурового инструмента
Composite diamond-tungsten carbide based on diamond powders of different dispersity was created. The optimal number of large diamond powder in the composite was determined. The structure of the composite, its physical-mechanical and operational properties are investigated.
Saved in:
| Published in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23450 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Композит алмаз – карбид вольфрама для бурового инструмента / С.Н. Назарчук, А.А. Бочечка, В.С. Гаврилова, Л.А. Романко, В.Н. Ткач, И.А. Свешников, С.Д. Заболотный // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 279-284. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-23450 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Назарчук, С.Н. Бочечка, А.А. Гаврилова, В.С. Романко, Л.А. Ткач, В.Н. Свешников, И.А. Заболотный, С.Д. 2011-07-04T15:26:26Z 2011-07-04T15:26:26Z 2010 Композит алмаз – карбид вольфрама для бурового инструмента / С.Н. Назарчук, А.А. Бочечка, В.С. Гаврилова, Л.А. Романко, В.Н. Ткач, И.А. Свешников, С.Д. Заболотный // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 279-284. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23450 621.921.34-492.2:536.421.5:539.89 Composite diamond-tungsten carbide based on diamond powders of different dispersity was created. The optimal number of large diamond powder in the composite was determined. The structure of the composite, its physical-mechanical and operational properties are investigated. 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 Композит алмаз – карбид вольфрама для бурового инструмента Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Композит алмаз – карбид вольфрама для бурового инструмента |
| spellingShingle |
Композит алмаз – карбид вольфрама для бурового инструмента Назарчук, С.Н. Бочечка, А.А. Гаврилова, В.С. Романко, Л.А. Ткач, В.Н. Свешников, И.А. Заболотный, С.Д. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| title_short |
Композит алмаз – карбид вольфрама для бурового инструмента |
| title_full |
Композит алмаз – карбид вольфрама для бурового инструмента |
| title_fullStr |
Композит алмаз – карбид вольфрама для бурового инструмента |
| title_full_unstemmed |
Композит алмаз – карбид вольфрама для бурового инструмента |
| title_sort |
композит алмаз – карбид вольфрама для бурового инструмента |
| author |
Назарчук, С.Н. Бочечка, А.А. Гаврилова, В.С. Романко, Л.А. Ткач, В.Н. Свешников, И.А. Заболотный, С.Д. |
| author_facet |
Назарчук, С.Н. Бочечка, А.А. Гаврилова, В.С. Романко, Л.А. Ткач, В.Н. Свешников, И.А. Заболотный, С.Д. |
| 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 |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| description |
Composite diamond-tungsten carbide based on diamond powders of different dispersity was
created. The optimal number of large diamond powder in the composite was determined. The structure
of the composite, its physical-mechanical and operational properties are investigated.
|
| issn |
XXXX-0065 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23450 |
| citation_txt |
Композит алмаз – карбид вольфрама для бурового инструмента / С.Н. Назарчук, А.А. Бочечка, В.С. Гаврилова, Л.А. Романко, В.Н. Ткач, И.А. Свешников, С.Д. Заболотный // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 279-284. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT nazarčuksn kompozitalmazkarbidvolʹframadlâburovogoinstrumenta AT bočečkaaa kompozitalmazkarbidvolʹframadlâburovogoinstrumenta AT gavrilovavs kompozitalmazkarbidvolʹframadlâburovogoinstrumenta AT romankola kompozitalmazkarbidvolʹframadlâburovogoinstrumenta AT tkačvn kompozitalmazkarbidvolʹframadlâburovogoinstrumenta AT svešnikovia kompozitalmazkarbidvolʹframadlâburovogoinstrumenta AT zabolotnyisd kompozitalmazkarbidvolʹframadlâburovogoinstrumenta |
| first_indexed |
2025-11-25T23:55:48Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:55:48Z |
| _version_ |
1850591080941092864 |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
279
9. Gallagher J., Scanlon P., Nailer S. G. Charactesation tecchniques for the study of high-
strength, coarse diamond // Indust. Diamond Division. – 2006. – N 3. – Р. 59–64.
10. ДСТУ 3292–95. Порошки алмазні синтетичні. Загальні технічні умови. – К.: Держ-
стандарт України, 1995.
11. Девин Л. Н., Сулима А. Г. Применение пакета Power Graph для исследования процес-
са резания / ПиКАД: Промышленные измерения, контроль, автоматизация, диагно-
стика. – 2008. – № 3. – С. 24–26.
12. Пат. 23804 Україна, G01 N 29/04. П’єзоелектричний перетво- рювач / Л. М. Девін, А.
Г. Найденко, Т. В. Німченко. – Заявл. 12.01.07, Опубл. 11.06.07, Бюл. № 8.
13. Тимошенко С. П. Сопротивление материалов.: В 2 т. – М.: Наука, 1965. – Т. 2. – 480 с.
Поступила 21.05.10
УДК 621.921.34-492.2:536.421.5:539.89
С. Н. Назарчук; А. А. Бочечка, д-р. техн. наук; В. С. Гаврилова; Л. А. Романко,
канд. техн. наук; В. Н. Ткач, канд. физ.-мат. наук; И. А. Свешников, д-р. техн. наук;
С. Д. Заболотный
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
КОМПОЗИТ АЛМАЗ – КАРБИД ВОЛЬФРАМА ДЛЯ БУРОВОГО
ИНСТРУМЕНТА
Composite diamond-tungsten carbide based on diamond powders of different dispersity was
created. The optimal number of large diamond powder in the composite was determined. The struc-
ture of the composite, its physical-mechanical and operational properties are investigated.
Введение
Создание композиционного материала на основе алмазных шлиф- и микропорошков с
высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами перспективно для при-
менения в качестве рабочего элемента в буровом инструменте. В этой связи повышение эф-
фективности спекания алмазных порошков является актуальной задачей.
При воздействии высокой температуры и высокого давления на порошки алмаза проис-
ходит графитизация алмазных частиц в процессе спекания, которая препятствует прочной взаи-
мосвязи алмазных частиц и формированию прочного и твердого поликристалла [1]. Для порош-
ков с зернами размером менее 100 нм (нанопорошков) графитизация осуществляется в основном
через газовую фазу при взаимодействии алмаза с кислородом или кислородсодержащими со-
единениями [2]. Поэтому перед спеканием алмазных нанопорошков предпочтительно проводить
их дегазацию с герметизацией рабочего объема аппарата высокого давления (АВД) [2].
Также в спеченных поликристаллах нет сплошных границ между алмазными части-
цами, контакты между частицами носят точечный характер, прочность таких поликристаллов
низкая. Введение в рабочий объем добавки карбида вольфрама препятствует графитизации
композитов [3] и приводит к образованию сплошных границ путем реакционного спекания
между алмазной матрицей и армирующей составляющей, что повышает физико-
механические характеристики композитов [4]. Проблема гомогенности структуры спеченных
композитов и равномерного распределения добавки по объему решается при введении до-
бавки в алмазные порошки химическим путем [5].
Цель настоящей работы – установить оптимальные состав, структуру, параметры спе-
кания, физико-механические и эксплуатационные свойства поликристаллического компози-
ционного материала на основе алмазных порошков различной дисперсности.
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
280
Методика исследования
Для приготовления образцов использовали алмазные микропорошки статического
синтеза АСМ5 1/0, АСМ 28/20, алмазный шлифпорошок АС6 160/125, а также алмазный по-
рошок, синтезированный в системе Mg–Zn–С (без классификации по зернистости). В смесь
алмазных порошков вводили добавку порошка вольфрама.
Десорбцию газов из спрессованных из смесей компактов проводили путем термообр-
аботки в вакууме при температуре 500 оС до давления остаточных газов 10-3 Па. Герметизацию
рабочего АВД осуществляли механически. Спекание проводили в АВД типа «тороид» с диамет-
ром центрального углубления 20 мм [1] при начальном давлении 8 ГПа в течение 20 с при тер-
мобарических условиях стабильности алмаза. Плотность спеченных поликристаллов определяли
гидростатическим взвешиванием в дистиллированной воде [6]. Твердость образцов определяли
методом индентирования с нагрузкой на индентор Кнупа 10 Н [7]. Трещиностойкость образцов
определяли методом индентирования с нагрузкой на индентор Виккерса 48 Н. При надежности
0,95 погрешность определения твердости по Кнупу составляет ±4 ГПа, трещиностойкости
±0,5 МПа∙м1/2. Износостойкость определяли по высоте площадки износа при строгании песчани-
ка на стенде, созданном на базе поперечно-строгального станка 7В36, на пути строгания 20 м.
Структуру композитов изучали методами электронной микроскопии.
Результаты и их обсуждение
После определения оптимальных термобарических условий спекания композитов на
основе алмазного порошка АСМ 1/0 с оптимальным количеством добавки вольфрама [5, 8]
следующим этапом является введение в композит крупных алмазных порошков в целях по-
вышения износостойкости.
Особенность спекания алмазных порошков в ячейке АВД заключается в том, что нагре-
вание осуществляется после воздействия на порошки высокого давления при комнатной темпе-
ратуре. Основной причиной дробления является взаимное индентирование частиц [9]. В то же
время порошки из частиц размером ≤1 мкм при воздействии давления 8 ГПа не разрушаются [9].
При прессовании алмазных порошков в стальных пресс-формах (при давлении до 0,41 ГПа)
происходит значительное уплотнение, связанное с дроблением. При этом достигается плотность
компакта, которая несущественно изменяется при повышении давления до 8 ГПа [10]. Средний
размер частиц порошка также уменьшается незначительно (рис. 1).
0 0,5 8
20
40
60
80
100
p, ГПа
d
с,
м
км
Рис. 1. Диаграмма изменения среднего размера зерна после воздействия высокого давления
на алмазный порошок, синтезированный в системе Mg–Zn–С
При воздействии высокого давления в ячейке АВД на алмазный шлифпорошок
АС6 160/125 изменяется зерновой состав порошка – увеличивается количество мелких час-
тиц (рис. 2).
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
281
0 50 100 150 200 250
10
20
30
40
50
60
V
,
%
d, мкм
1
2
Рис. 2. Гистограммы распределения по размерам частиц алмазного порошка АС6 160/125
исходного (1) и после воздействия давления 8 ГПа в ячейке АВД (2): d – средний размер час-
тицы, V – относительный объем частиц данного размера
Для выбора оптимального соотношения крупных и мелких частиц в алмазном
композите определили зависимость показателя дробления крупной составляющей смеси
алмазных порошков при действии давления 0,5 ГПа от состава исходной смеси (рис. 3). В
качестве показателя дробления k приняли отношение потери из-за дробления массы
крупного порошка Δm к его исходной массе m:
m
m
k
30 40 50 60 70 80 90 100
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0k
C, %
Рис. 3. Зависимость показателя дробления крупной составляющей от ее содержания в ис-
ходной смеси алмазных порошков АС6 160/125 и АСМ 1/0 при воздействии давления 0,5 ГПа
В соответствии с полученной зависимостью, потери крупной составляющей от
дробления становятся существенными, если ее содержание в смеси превышает 65 %. Однако
даже при содержании 90 % сохраняется около 50 % (по массе) крупных частиц.
Таким образом, определили количество алмазных порошков крупной составляющей с
учетом максимального заполнения пор между крупными частицами композитом алмаз – карбид
вольфрама на основе микропорошка АСМ 1/0. При заполнении промежутков снижаются кон-
тактные напряжения между частицами крупной составляющей, что, в свою очередь, снижает их
разрушение в процессе сжатия при нагрузке ячейки до высокого давления (р = 8 ГПа).
По данным электронной микроскопии в композите, спеченном из алмазного порошка
АСМ 1/0 с добавкой вольфрама, добавка распределяется равномерно (рис. 4.), с образовани-
ем карбида вольфрама между алмазными зернами формируются сплошные границы.
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
282
Рис. 4. Электронное изображение композита алмаз–карбид вольфрама
на основе микропорошка АСМ 1/0
Спекание алмазного порошка с добавлением вольфрама приводит к реакционному
взаимодействию. В процессе химической реакции вольфрам с углеродом образует карбид
вольфрама, который заполняет промежутки между алмазными частицами и в результате по-
вышаются твердость и трещиностойкость материала (HK = 24 ГПа, KIc = 6,5 МПа∙м1/2).
В композите на основе АСМ 1/0 с дополнительно введенным порошком крупной зер-
нистости крупные частицы равномерно распределяются по объему образца, формируются
сплошные границы между частицами, большая часть частиц крупной составляющей соответ-
ствует исходным, а также наблюдается небольшое количество осколков разрушенных частиц
(рис. 5, 6).
Рис. 5. Электронное изображение композита алмаз – карбид вольфрама на основе
микропорошков АСМ 1/0 и АСМ 28/20
Рис. 6. Электронное изображение композита алмаз – карбид вольфрама на основе микропо-
рошка АСМ 1/0 и шлифпорошка АС6 160/125
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
283
Благодаря выбору оптимального содержания добавки, а также добавлению крупных
алмазных частиц достигается высокая износостойкость спеченных композитов. Как показали
результаты экспериментов, сохранение крупных частиц в структуре поликристаллического
алмазного композита при прочих равных условиях способствует повышению в 2–3 раза его
износостойкости, определенной при строгании блоков кварцевого песчаника.
Выводы
Потери крупной составляющей от дробления значительны в том случае, если ее
количество в смеси превышает 65 %, но даже при 90 % сохраняется около 50 % (по массе)
крупных частиц.
Определено количество крупного алмазного порошка для максимального заполнения
пор между крупными частицами композитом алмаз – карбид вольфрама на основе микропо-
рошка АСМ 1/0. При заполнении промежутков снижаются контактные напряжения между
крупными частицами, что, в свою очередь, снижает их разрушение в процессе сжатия при
нагрузке ячейки до высокого давления.
В композите на основе АСМ 1/0 с дополнительно введенным порошком крупной зерни-
стости крупные частицы равномерно распределяются по объему образца, формируются сплош-
ные границы между частицами путем реакционного спекания, большая часть крупных частиц
соответствует исходным, наблюдается небольшое количество осколков разрушенных частиц.
Благодаря выбору оптимального содержания добавки, а также добавлению крупных
алмазных частиц достигается высокая износостойкость спеченных образцов композита. Со-
хранение крупных частиц в структуре поликристаллического алмазного композита при про-
чих равных условиях способствует повышению в 2–3 раза его износостойкости.
Авторы выражают благодарность кандидату технических наук Л. И. Александровой
за исследования физико-механических свойств композита.
Литература
1. Шульженко А. А., Гаргин В. Г., Шишкин В. А., Бочечка А. А. Поликристаллические
материалы на основе алмаза. – К.: Наук. думка, 1989. – 192 с.
2. Бочечка А. А., Романко Л. А., Гаврилова В. С. и др. Особенности спекания алмазных
порошков различной дисперсности в условиях высокого давления // Сверхтвердые
матер. – 2007. – № 1. – С. 24–31.
3. Пат. 3145690 ФРН, МКІ3 С 04 В 39/00. Verfaren zum Herstellen von Drahtziehstein -
Presskörpern, insbesondere Diamantpress-körpern und das Produkt des Verfahrens / H. S.
Cho. – Опубл. 26.08.83.
4. Бочечка А. А., Романко Л. А., Шаповалов Д. Ю., Назарчук С. Н. Влияние карбидов
переходных металлов на получение композитов на основе алмазного нанопорошка
детонационного синтеза // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инстру-
мент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. – К.: Изд-
во ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2006. – Вып. 9. – С. 190–196.
5. Назарчук С. М. Білявина Н. М., Гаврилова В. С. та ін. Спікання нанопорошків алмазу
детонаційного синтезу з добавками тугоплавких металів та їхніх оксидів // Синтез,
спекание и свойства сверхтвердых материалов. – K.: Логос, 2010. – С.101–107.
6. Кивилис С. С. Плотномеры. – М.: Энергия, 1980. – 280 с.
7. Григорович В. К. Твердость и микротвердость металлов. – М.: Наука, 1976. – 230 с.
8. Бочечка А. А., Гадзыра Н. Ф., Назарчук С. Н. и др. Композит алмаз – карбид вольфрама
на основе алмазного порошка АСМ 1/0 // Породоразрушающий и металлообрабатываю-
щий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. –
К: Изд-во ИСМ им. В. Н. Бакуля, ИПЦ АЛКОН НАН Украины, 2009. – С. 244–247.
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
284
9. Бочечка А. А. Разрушение частиц алмазного порошка под воздействием высокого
давления // Сверхтвердые матер. – 1993. – № 5. – С. 9–14.
10. Назарчук С. Н., Бочечка А. А., Петасюк Г. А. Уплотнение алмазных порошков под
воздействием высокого давления // Физика и техника высоких давлений. – 2009. – 19.
– № 3. – С 7–11.
Поступила 29.06.09
УДК 621.926.538.1
Н. А. Олейник, канд. техн. наук
Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
ХАРАКТЕРИСТИКИ КРУПНОСТИ ДИСПЕРСНЫХ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ
МАТЕРИАЛАОВ
Results of the description of character of distribution of particles of a disperse product of
synthesis of diamond after various kinds of processing, raw materials, powders in the form of total
characteristics of the sizes approximated by eksponentsialno-sedate dependence Rozina-Rammlera
are presented.
Введение
Алмазные порошки получают в процессе переработки продукта синтеза (ПС), кото-
рый образуется в виде спеков при синтезе. Спеки – это композиционные материалы техноло-
гического назначения, представляющие собой многофазные и прочные конгломераты, со-
держащие алмаз, металлическую и графитовую составляющие.
Переработка ПС включает дробление спеков, растворение металлической составляющей,
окисление графита, финишную очистку, сортировку и классификацию порошка. В процессе пе-
реработки ПС крупность материала существенно изменяется, концентрация материала в узком
диапазоне размеров (однородность материала) влияет на эффективность переработки.
Математическое описание крупности (гранулометрического состава) материала, пред-
ставленное суммарными характеристиками крупности, необходимо в целях обоснования и
разработки процессов для применения в структурной схеме переработки ПС.
Цель настоящей работы – проверить возможность описания суммарных характери-
стик крупности дисперсного ПС после различных видов воздействия, алмазного сырья и по-
рошков с помощью экспоненциально-степенного уравнениея Розина – Раммлера.
Методика и результаты исследования
Исследования проводили наполученном в ростовой системе Ni–Mn–C, ПС, предна-
значенном для изготовления шлифпорошков марки АС15 и выше.
Образцы для исследования получили путем последовательных операций: стадийного
дробления исходных спеков и химической обработки ПС. Дробили спеки в щековой дро-
билке. Дезинтеграцию материала после растворения металлической составляющей выполня-
ли параллельно тремя методами: первый – термохимическая обработка; второй – механиче-
ское дробление в роторной дробилке конструкции Института сверхтвердых материалов им.
В.Н. Бакуля НАН Украины и в конусной инерционной дробилке (КИД); третий – импульсная
обработка высоковольтным электрическим разрядом (ВЭР) в жидкости (выполняли в ИИПТ
НАН Украины, г. Николаев).
Образцы материала, подготовленные согласно рис. 1 подвергли ситовому анализу.
По результатам ситового анализа рассчитывали выход материала (%) различных клас-
сов крупности по формуле
G
G
.исх
.кл..крупн100
г , (1)
где Gкл.крупн. – масса материала, прошедшая сито с отверстиями размером –d (мм) и задержавшая-
ся на сите с отверстиями размером +d (мм), г; Gисх. – масса материала, поступившая на рассев, г.
|