Надтвердий композиційний матеріал

Реферат: Винахід належить до області одержання надтвердих композиційних матеріалів і може бути використаний в інструментах переважно для обробки та руйнування гірських порід. В основу винаходу покладено завдання вдосконалення надтвердого композиційного матеріалу, при якому забезпечується дисперсійне зміцнення металевої зв'язки, формування її однорідної дрібнозернистої структури, що дозволяє підвищити фізико-механічні властивості запропонованого матеріалу та досягти високої стійкості проти абразивного зносу при обробці гірських порід. Завдання вирішується завдяки тому, що надтвердий композиційний матеріал містить алмаз, залізо, мідь, нікель, олово, диборид хрому у вигляді нанорозмірних часточок у розмірі від 40 до 100 нм. UA 98889 C2 (12) UA 98889 C2 UA 98889 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід стосується області одержання надтвердих композиційних матеріалів, до складу яких входять алмаз та металева багатокомпонентна зв'язка і може бути використаний в інструменті переважно для обробки та руйнування гірських порід. Відомий надтвердий композиційний матеріал (див. а. с. 339393 МПК B24D3/06 опубл. 24.05.72, бюл. № 13) містить алмаз та багатокомпонентну зв'язку - залізо, мідь, нікель, олово. Одним із недоліків цього матеріалу є низька твердість зв'язки та низька стійкість при абразивному зношуванні. Найбільш близький за технічною суттю винаходу є надтвердий композиційний матеріал (див. патент України № 64274, МПК B24D3/04, опубл. 15.12.2005, бюл. № 12), до складу якого входить алмаз, залізо, мідь, нікель, олово та диборид хрому. Добавка дибориду хрому дозволила збільшити адгезію між алмазними часточками та металевою зв'язкою й завдяки цьому підвищити стійкість при обробці гірських порід середньої міцності та абразивності. Недоліком цього надтвердого композиційного матеріалу є недостатня його стійкість при обробці гірських порід високої міцності та абразивності, наприклад гранітів, кварцитів. Це пов'язано з недостатньою твердістю металевої зв'язки та низькими значеннями границі міцності на стиск всієї композиції в цілому. В основу винаходу поставлено задачу такого вдосконалення надтвердого композиційного матеріалу, при якому за рахунок введення нанорозмірного дибориду хрому в межах розмірів від 40 до 100 нм та запропонованого співвідношення компонентів надтвердого композиційного матеріалу забезпечується дисперсійне зміцнення металевої зв'язки, формування її однорідної дрібнозернистої структури, що дозволяє підвищити фізико-механічні властивості запропонованого матеріалу та досягти високої стійкості проти абразивного зносу при обробці високоміцних та абразивних гірських порід. Означена задача вирішується завдяки тому, що надтвердий композиційний матеріал містить алмаз, залізо, мідь, нікель, олово, диборид хрому, при цьому диборид хрому входить до його складу у вигляді нанорозмірних часточок 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. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, і технічними результатами, які досягаються при її реалізації, полягає у наступному. При введенні в металеву зв'язку нанорозмірних часточок дибориду хрому утворюється нанодисперсна структура, яка має підвищену твердість і відповідно абразивну зносостійкість. При цьому 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 °C протягом 30 хвилин. Після першого спікання проводили друге спікання методом гарячого пресування при температурі 800 °C і тиску 160 МПа до повного ущільнення брикету. Приклад виготовлення запропонованого надтвердого композиційного матеріалу. Суміш порошків, яка містила синтетичні алмази марки АС125Т 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 П01 (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 пресформах, після чого проводили двостадійне спікання по вищезазначеній технології - у 1 UA 98889 C2 5 10 15 20 25 середовищі водню при температурі 850 °C з наступним гарячим пресуванням при температурі 800 °C і тиску 160 МПа до повного ущільнення брикетів. Після спікання отримали компактні зразки розмірами 40,010,03,2 мм. Дослідження структури зразків на електронному мікроскопі ZEISS EVO-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 міцних та абразивних гірських породах. Твердість (HRB) зразків визначали згідно з діючим стандартом. Границю міцності при стиску визначали на приладі MTS-200, що дозволяє автоматично записувати залежність навантаження - деформація. Стійкість проти абразивного зношування визначали шляхом різання кварцевого 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 на межах винаходу, а приклади 1 та 5 - за межами винаходу. Як видно з таблиці, завдяки запропонованому винаходу підвищується твердість та границя міцності при стиску, що привело до значного покращення стійкості проти абразивного зношування у двічі в порівнянні з прототипом. Надтвердий композиційний матеріал, згідно з винаходом, 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. Таблиця Об'єкт випробування Склад надтвердого композиційного Показники ефективності матеріалу, мас. % СrВ2 Границя Стійкість № міцності проти Розмір часток, нм п/п Твердість Fe Сu Ni Sn алмаз при абразивного HRB стиску, зношування, 30 40 60 100 150 2 МПа карат/м 1 0,05 Надтвердий 2 композиційний 3 матеріал згідно з винаходом 4 5 Надтвердий композиційний 6 матеріал згідно з прототипом - 41 28 13,7 5 12 114 810 0,87 - 0,1 - 46 25 11,9 7 10 120 855 0,64 - 2,5 - 50 23 9,5 9 6 138 900 0,42 - 4,5 - 54 21 7,5 11 2 124 865 0,67 1 117 805 0,90 - 5,5 56 20 5,5 12 - 48 22 10 8 6 30 2 115 800 0,88 Примітка Склад за межами винаходу Склад на межі винаходу Оптимальний склад Склад на межі винаходу Склад за межами винаходу СrВ2 – 6 мас. %, розмір часточок 5 мкм (5000нм) UA 98889 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Надтвердий композиційний матеріал, який містить алмаз, залізо, мідь, нікель, олово, диборид хрому, який відрізняється тим, що диборид хрому містить у вигляді нанорозмірних часток у розмірі від 40 до 100 нм при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: алмаз 2,0-10,0 залізо 46,0-54,0 мідь 21,0-25,0 нікель 7,5-11,9 олово 7,0-11,0 диборид хрому 0,1-4,5. 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