Надтвердий композиційний матеріал

Надтвердий композиційний матеріал, який містить алмаз, залізо, мідь, нікель, олово, диборид хрому, який відрізняється тим, що диборид хрому входить до його складу у вигляді нанорозмірних часток в межах розмірів від 40 до 100 нм, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: алмаз 2-10 залізо 46-54 мідь 21-25 нікель 7,5-11,9 олово 7-11 диборид хрому 0,1-4,5. (19) (21) u201104048 (22) 04.04.2011 (24) 25.10.2011 (46) 25.10.2011, Бюл.№ 20, 2011 р. (72) БОНДАРЕНКО МИКОЛА ОЛЕКСАНДРОВИЧ, ЛИСОВСЬКИЙ АНАТОЛІЙ ФЕЛІКСОВИЧ, МЕЧНИК ВОЛОДИМИР АРКАДІЙОВИЧ (73) ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ІМ. В.М. БАКУЛЯ НАН УКРАЇНИ, БОНДАРЕНКО МИКОЛА ОЛЕКСАНДРОВИЧ, ЛИСОВСЬКИЙ АНАТОЛІЙ ФЕЛІКСОВИЧ, МЕЧНИК ВОЛОДИМИР АРКАДІЙОВИЧ 3 утворюється дисперсійно зміцнений композиційний матеріал. При навантаженнях нанорозмірні часточки дибориду хрому, які рівномірно розміщені в металевій зв'язці, гальмують рух дислокацій при навантаженні матеріалу, що веде до збільшення його твердості, границі міцності при стиску, модулю пружності, границі плинності. Крім того, компоненти нанорозмірних часточок дибориду хрому мають більшу розчинність у металевій зв'язці, що веде до більш активної взаємодії алмазу з металевою зв'язкою, завдяки чому збільшується адгезія між алмазними часточками та зв'язкою. Вся сукупність змін у структурі надтвердого композиційного матеріалу, яка викликана введенням нанорозмірних часточок дибориду хрому та запропонованим співвідношенням компонентів, забезпечує новий додатковий результат, а саме збільшення твердості, границі міцності при стиску та абразивної зносостійкості запропонованого надтвердого композиційного матеріалу. Запропонований матеріал виготовляли таким чином: компоненти матеріалу у вигляді порошків змішували, досягаючи їх рівномірного розподілу в шихті, потім із отриманої шихти формували брикети, які спікали в середовищі водню при температурі 850 °С протягом 30 хвилин. Після першого спікання проводили друге спікання методом гарячого пресування при температурі 800 °С і тиску 160 МПа до повного ущільнення брикету. Приклад виготовлення запропонованого надтвердого композиційного матеріалу. Суміш порошків, яка містила синтетичні алмази марки АС 125 Т з розмірами часточок 315 - 400 мкм (6 мас.%), порошок заліза (50 мас. %), порошок міді марки ПМС-1 (23 мас %), порошок карбонільного нікелю (9,5 мас. %), порошок олова марки 1101 (9 мас. %) і диборид хрому з розмірами часточок 60 нм (2,5 мас. %) помістили в кульковий млин і в середовищі етиленового спирту, проводили змішування протягом 24 годин. Після змішування суміш висушували, проводили її розмел та формували брикети методом холодного пресування в сталевих прес-формах, після чого проводили двостадійне спікання по вищезазначеній технології - у середовищі водню при температурі 850 °С з наступним гарячим пресуванням при температурі 800 °С і тиску 160 МПа до повного ущільнення 63989 4 брикетів. Після спікання отримали компактні зразки розмірами 40,0x10,0x3,2 мм. Дослідження структури зразків на електронному мікроскопі ZЕISS ЕVO-50-XVP показали, що після спікання отримали дрібнозернисту структуру металевої зв'язки, в якій рівномірно розподілені часточки дибориду хрому. Алмазні часточки були оточені зміцненою зв'язкою, при цьому на границі алмаз – зв'язка сформувалась особлива наноструктура, до складу якої входили нанорозмірні часточки карбіду хрому. На границі алмаз - зв'язка повністю був відсутній графіт, який утворюється в результаті поліморфного переходу алмаз - графіт під час спікання. Утворення особливої наноструктури на границі алмаз - зв'язка забезпечило високу адгезію алмазу та зв'язки і надійне утримання алмазних часточок при роботі по міцним та абразивним гірським породам. Твердість (HRB) зразків визначали згідно діючого стандарту. Границю міцності при стиску визначали на приладі MTS-200, що дозволяє автоматично записувати залежність навантаження деформація. Стійкість проти абразивного зношування визначали шляхом різання квацевого пісковика відрізним кругом діаметром 320 мм, на якому було розміщено 21 елемент, виготовлений із надтвердих композиційних матеріалів. В таблиці наведені склади надтвердих композиційних матеріалів та показники їхньої ефективності. Приклад 3 є оптимальним складом, який забезпечує найвищу ефективність запропонованого надтвердого композиційного матеріалу. Приклади 2 та 4 мають склад матеріалу в межах корисної моделі, а приклади 1 та 5 - за межами корисної моделі. Як видно з таблиці, завдяки запропонованій корисній моделі підвищується твердість та границя міцності при стиску, що привело до значногопокращення стійкості проти абразивного зношування у двічі в порівнянні з прототипом. Надтвердий композиційний матеріал згідно корисній моделі може бути використаний для оснащення відрізних та шліфувальних кругів, бурильних інструментів, які використовуються для різання, шліфування і буріння міцних високоабразивних гірських порід, а також - бурових коронок різного функціонального призначення. 5 63989 6 Додаток Таблиця Об'єкт випробування Склад надтвердого композиційного матеріПоказники ефективності алу, мас. % СrB2 Границя Стійкість № міцності проти абраРозмір часток, нм п/п ал- Твердість Fe Сu Ni Sn при зивного маз HRB стиску, зношування, 30 40 60 100 150 2 Мпа карат/м 1 Надтвердий композиційний матеріал згідно аналога 41 28 13,7 5 12 114 810 0,87 2 0,1 46 25 11,9 7 10 120 855 0,64 3 2,5 50 23 9,5 9 6 138 900 0.42 4 4.5 54 21 7,5 11 2 124 865 0,67 5 Надтвердий композиційний матеріал згідно корисної моделі 0,05 5,5 56 20 5,5 12 1 117 805 0,90 6 10 6 115 800 0,88 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 48 22 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 Примітка Склад за межами корисної моделі Склад на межі корисної моделі Оптимальний склад Склад на межі корисної моделі Склад за межами корисної моделі СrВ2-6 мас.%, розмір часточок 5 мкм (5000 нм)