Процессы и технологии получения высокоэффективного алмазного инструмента при высоких давлениях и температурах с применением новых алмазных материалов и порошковых композиций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.06, доктор технических наук Бугаков, Василий Иванович

• Бугаков, Василий Иванович
• доктор технических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор технических наук Бугаков, Василий Иванович

Введение

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

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

2.1. Классификация алмазного сырья по существующим нормативным документам

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

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

2.3.1. Твердость алмазов

2.3.2. Износостойкость алмазов

2.3.3. Прочность алмазов

2.4. Влияние термообработки на механические свойства алмазов

2.5. Влияние давления на термостойкость алмаза

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

3.1. Существующие технологии изготовления алмазосодержащих элементов камнеразрушающего инструмента

3.2. Аппаратура для создания высокого давления

3.2.1. Расчет контейнера высокого давления до 1,5 ГПа

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

3.3. Требования к связкам алмазного инструмента и методы их испытания

3.3.1. Методы измерения усилия удержания связками алмазного зерна

3.3.2. Методы повышения усилия удержания связками алмазного зерна

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

3.3.3.1. Общие закономерности смачивания и адгезии к алмазу

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

4. Свойства связок алмазного камнеразрушающего инструмента

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

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

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

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

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

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

6. Разработка бурового алмазного инструмента

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

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

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

6.3.1. Испытания на Средне-Орловской ГРЭ.

6.3.2. Испытания на Олевской ГРЭ Житомирской экспедиции

6.3.3. Испытания на Трудовской ГРЭ треста "Артемгеология"

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

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

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

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

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

8. Выводы

9. Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессы и технологии получения высокоэффективного алмазного инструмента при высоких давлениях и температурах с применением новых алмазных материалов и порошковых композиций»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Порошковая металлургия и композиционные материалы», Бугаков, Василий Иванович

Анализируя результаты испытаний приведенных в таблице можно сделать следующие выводы:

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

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

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

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

Члены комиссии:

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

ПРАВИТЕЛЬСТВО МОСКВЫ ДЕПАРТАМЕНТ СТРОИТЕЛЬСТВА

103009 Москва уд. БЕЛИНСКОф. лим 5 л

Телефоны: 956-69-77, 956-69-78

Генеральному директору фирмы. Моспромстронкошлект

Галкину В.В.

Генеральному директору ¡^ирмы МосшштромстроЁкомплект

йртуганову Ш.М.

Директору фирмы iviocGTpoiäcHaö-1 Критарасову A.A.

Директору объединения ¡.¿соспедшглплект Корнееву B.C.

Управляющему трестой Ьюспромотрож-снабкомгогект

ЙЕерыюву А.И.

Копия : й.о* Директора Института физики высоких давлений

Стишову С.М.

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

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

о&местителъ руководителе ^

Российская Академия наук

Институт Физики Высоких Давлений им. Л.Ф.Верещагина

Е3142190 Троицк Моск.обл. Ятел. [phone] &факс [phone] еЭс-шаЛ: «[e-mail].»

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

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

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

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

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

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

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

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