Надтвердий композиційний матеріал

Реферат: Надтвердий композиційний матеріал, який містить алмаз, монокарбід вольфраму, кобальтову зв'язку, нікель, кремній та карбід кремнію. UA 72375 U (12) UA 72375 U UA 72375 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області одержання надтвердих композиційних матеріалів, до складу яких входять алмаз, карбід вольфраму та металева зв'язка - кобальт і може бути використана для оснащення гірничого інструменту, який використовується при бурінні свердловин на газ, нафту та іншого призначення. Відомий надтвердий композиційний матеріал (див. Новиков Н.В., Цыпин Н.В., Майстренко А.Л., Вовчановский И.Ф. Композиционные алмазосодержащие материалы на основе твердых сплавов. // Сверхтвердые Материалы.-1983. - № 2. - С. 3-5) містить алмаз, монокарбід вольфраму (WC) та зв'язку кобальт (Со). Частки алмазу розміром 250-1100 мкм розміщені в матриці WC-Co. Матриця складається з часток WC розмірами від 0,5 до 5,0 мкм, які зцементовані кобальтовою зв'язкою, при цьому частки WC утворюють карбідний скелет і мають контактну WC/WC поверхню та міжфазну WC/Co. Одним з недоліків цього матеріалу є недостатня його міцність, а саме границя міцності при згині та розтягу. Найближчим аналогом до корисної моделі є надтвердий композиційний матеріал (див. монографію Н.А. Бондаренко, А.Н. Жуковський, В.А. Мечник "Основы создания алмазосодержащих композиционных материалов для породоразрушающих инструментов". - Киев: Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2008. - 456 с.), до складу якого входить алмаз, монокарбід вольфраму, кобальт та диборид хрому. Добавка дибориду хрому дозволила збільшити границі міцності при згині та розтязі матеріалу. Недоліком цього надтвердого композиційного матеріалу є недостатня його тріщиностійкість та зносостійкість при руйнуванні міцних та абразивних гірських порід. В основу корисної моделі поставлено задачу такого вдосконалення надтвердого композиційного матеріалу, при якому за рахунок введення нікелю, кремнію та формування нової фази карбіду кремнію, а також запропонованого співвідношення компонентів надтвердого композиційного матеріалу забезпечується легування кобальтової зв'язки нікелем та кремнієм, підвищення адгезії та взаємодії на міжфазній поверхні алмаз-матриця, а також на контактній поверхні WC/WC і міжфазній поверхні WC/Co. Це дозволяє підвищити фізико-механічні властивості запропонованого матеріалу та досягти високої стійкості проти абразивного зносу при руйнуванні міцних та абразивних гірських порід. Означена задача вирішується завдяки тому, що надтвердий композиційний матеріал містить алмаз, монокарбід вольфраму та кобальтову зв'язку, при цьому до його складу входять нікель, кремній та карбід кремнію при наступному співвідношенні компонентів, (мас. %): алмаз 2-10, монокарбід вольфраму 80-94, кобальт 3,1-5,6, нікель 0,7-2,5, кремній 0,1-0,6, карбід кремнію 0,11,3. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються і технічними результатами, які досягаються при її реалізації, полягає у наступному. В матриці WC-Co кобальтова зв'язка має кубічну ґратку. Під дією напружень, які виникають у період роботи інструмента, в кобальтовій зв'язці утворюється нова фаза кобальту з гексагональною ґраткою. В результаті такого поліморфного перетворення кобальтова зв'язка частково втрачає пластичність та опір до розповсюдження мікротріщин, а це веде до зниження тріщиностійкості надтвердого композиційного матеріалу в цілому. Нікель, який додається в композицію, утворює твердий розчин з кобальтовою зв'язкою, стабілізуючи її вихідну кубічну ґратку. Кубічна ґратка кобальту має чотири вільні поверхні ковзання. Саме це забезпечує підвищення тріщиностійкості кобальтової зв'язки. Кремній є поверхнево-активним елементом відносно до карбіду WC, а тому відадсорбується на міжфазній поверхні WC/Co та на контактній поверхні WC/WC. Завдяки цьому утворюється міцний карбідний скелет з часток WC, а також збільшується опір композиційного матеріалу до зародження та розвитку мікротріщин. В матриці WC-Co мікротріщини зароджуються і рухаються переважно на контактній WC/WC поверхні та міжфазній WC/Co. Сукупність такої дії кремнію суттєво підвищує тріщиностійкість запропонованого композиційного матеріалу. Відомі та запропоновану надтверду композиції отримують шляхом гарячого пресування при нагріві до температур 1400-1500 °C. Під час нагріву в композиції має місце часткове перетворення алмазу в графіт. Цей процес відбувається переважно на границі контакту алмазу з матрицею WC-Co. Утворення прошарку графіту на цій границі суттєво знижує утримання алмазних часток в матриці WC-Co. Це веде до значного зносу надтвердого композиційного матеріалу під час руйнування інструментом гірських порід. В результаті введення кремнію до складу запропонованого композиційного матеріалу має місце взаємодія кремнію з вуглецем графітового шару з утворенням карбіду кремнію. Таким чином знищується графітовий прошарок на границі алмаз-матриця. Це веде до збільшення адгезії часток алмазу та матриці WC-Co, утриманню часток алмазу в матриці при виникненні великих навантажень під час роботи 1 UA 72375 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 інструменту і в цілому до збільшення зносостійкості запропонованого надтвердого композиційного матеріалу. Запропонований композиційний матеріал виготовляли таким чином. Компоненти матеріалу у вигляді порошків змішували, потім із отриманої шихти формували брикети, які методом гарячого пресування спікали при температурах 1400-1500 °C до повного ущільнення брикету та формуванню тугоплавкого скелета із часток карбіду вольфраму. Приклад виготовлення запропонованого надтвердого композиційного матеріалу. На першому етапі приготували суміш із компонентів для матриці композиційного матеріалу, а саме в кульовому млині змішали частки карбіду вольфраму WC розмірами 2-3 мкм, порошок кобальту і нікелю з розмірами часток 2-5 мкм та додали порошок кремнію з розмірами часток 36 мкм. На другому етапі на алмазні частки розмірами 250-315 мкм, які були змочені розчином епоксидної смоли, нанесли шар товщиною 1-2 мм із приготовленої вище суміші гранули висушили при температурі 100-150 °C і змішали з приготовленою сумішшю порошків WC, Co, Ni, Si. Приготовлена шихта мала наступний склад (мас. %): алмазу - 6,0; WC - 87,0; Co - 4,4; Ni 1,7; Si - 0,6. Шихту закладали в графітові прес-форми і методом прямого пропускання електричного струму нагрівали до температури 1450 °C, при якій брикет витримували 1800 с. Нагрів проводили під тиском 30-50 МПа. При температурі 1450 °C кобальтова зв'язка знаходиться у рідкому стані, при цьому в розплаві кобальту розчиняються вольфрам, вуглець, нікель та кремній. Кремній з розплаву кобальту надходить до поверхонь часток алмазу, де вступає у взаємодію з вуглецем графітового шару, утворюючи карбід кремнію (SiC). Крім того, кремній дифундує на границі WC/WC, утворюючи міцні контакти карбідних часток та сприяючи формуванню міцного карбідного скелета. Під час формування структури запропонованого надтвердого композиційного матеріалу можливе утворення силіциду кобальту та силіциду вольфраму. Після гарячого пресування отримали компактні зразки розмірами  108 мм та 5516 мм. Дослідження структури зразків на електронному мікроскопі ZEISS EVO-50-XVP показали, що після гарячого пресування отримали композиційний матеріал, який складався із часток алмазу, навколо яких розміщувалися частки карбіду кремнію та карбіду вольфраму, які були зцементовані кобальтовою зв'язкою. На границі алмаз-матриця повністю був відсутній графіт. Частки карбіду вольфраму сформували карбідний скелет. В кобальтовій зв'язці повністю розчинився нікель. Рентгенівськими дослідженнями встановили, що кобальтова зв'язка мала кубічну ґратку. По описаній вище технології виготовили зразки згідно з приведеною в додатку таблиці. Тріщиностійкість (КІС) зразків визначили згідно з вимогами ГОСТ - 25.506-85. Стійкість проти абразивного зношування визначали на лабораторній установці в умовах шліфування кварцового пісковику при вертикальному навантаженні 700Н, швидкості пресування зразка 4 м/с, час шліфування склав 600 с. За показник стійкості проти зношування приймали ширину площадки зношування h. В таблиці наведені склади надтвердих композиційних матеріалів та показники їхньої ефективності Приклад 3 (див. табл.) є оптимальним складом, який забезпечує найвищу ефективність запропонованого надтвердого 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 тріщиностійкість матеріалу, що привело до покращення стійкості проти абразивного зношування у 1,6 раз у порівнянні з прототипом. 2 UA 72375 U Додаток Приклади № п/п Склад надтвердого композиційного Показники матеріалу, мас. % ефективності Диборид КIC, ΜΠΑ алмаз WC Co Ni Si SiC h, мм 0,5 хрому м 1 1,0 96,4 2,0 0,5 0,05 0,05 11,3 1,468 Надтвердий 2 композиційний матеріал 3 згідно з корисною моделлю 4 2,0 94,0 3,1 0,7 од 0,1 12,0 1,010 6,0 87,0 4,4 1,7 0,2 0,7 13,6 0,815 10,0 80,0 5,6 2,5 0,6 1,3 12,4 0,960 5 14,0 72,0 7,3 3,9 0,8 2,0 11,2 1,356 Надтвердий композиційний 6 матеріал аналога 6,0 86,5 5,5 2,0 11,5 Примітка Склад за межами корисної моделі Склад на межі корисної моделі Оптимальний склад Склад на межі корисної моделі Склад за межами корисної моделі 1,325 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Надтвердий композиційний матеріал, що містить алмаз, монокарбід вольфраму та кобальтову зв'язку, який відрізняється тим, що надтвердий композиційний матеріал додатково містить нікель, кремній та карбід кремнію при наступному складі компонентів (мас. %): алмаз 2-10 монокарбід вольфраму 80-94 кобальт 3,1-5,6 нікель 0,7-2,5 кремній 0,1-0,6 карбід кремнію 0,1-1,3. Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 3