Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время алмазные инструменты получили широкое применение во всех отраслях промышленности. Использование их обеспечивает качественную высокопроизводительную механическую обработку деталей машин и механизмов.
Алмазные инструменты изготавливаются на металлических, органических и керамических связках. По сравнению с инструментом на органических и
> керамических связках, инструмент на металлических связках обладает более
высокими значениями износостойкости, алмазоудержания и теплопроводности, эффективен при повышенных рабочих режимах. Однако в существующих
f технологиях его изготовления используются дорогие цветные металлы на
основе сплавов меди, кобальта, вольфрама и т.д. Поэтому актуальна проблема разработки технологий изготовления алмазных инструментов, содержащих в качестве связки дешевые и прочные сплавы на основе железа. Здесь принципиально новые перспективы для создания алмазометаллических композитов (АМК) открывает использование энергии взрыва. Возможности взрывного прессования (ВП) связаны с экстремальностью процессов, протекающих при высоких давлениях, скоростях, температурах, когда в результате практически мгновенного высокоинтенсивного воздействия на порошки происходят их уплотнение, нагрев и деформирование,
* сопровождающиеся контактообразованием между частицами. Кроме того,
использование карбидообразующей матрицы из таких сплавов дает возможность повысить алмазоудержание за счет образования химических
' связей на границе алмаз-матрица.
Другой аспект проблемы - сокращение времени воздействия высоких температур на алмазные частицы в процессе спекания.
Анализ научной и патентной литературы показывает, что процессы взрывного прессования порошков, достаточно подробно изученные для широкого спектра материалов, мало исследованы в случае использования смесей с порошками алмазов, причем преимущественно рассматриваются алмазы искусственного происхождения. Вместе с тем, применение порошков природного алмаза может быть особенно перспективно, так как его коэффициент трения с металлом ниже по сравнению с синтетическим, что представляет собой резерв для улучшения эксплуатационных показателей
Работа выполнена в соответствии с планами научных работ Института
физико-технических проблем Севера СО РАН: по теме Программы
фундаментальных исследований СО РАН 1.11.1.10, раздел 5 «Исследование
процессов формирования структуры и механизмов изнашивания
алмазосодержащих покрытий и композитов инструментального назначения,
полученных с использованием концентрированных потоков энергии (плазмы,
взрыва), и разработка режимов изготовления рабочих элементов алмазного
инструмента», № гос. регистрации 01.960003474; по теме Программы
фундаментальных исследований СО РАН «Исследование и разработка
технологий с использованием концентрированных источников энергии .
(сварочной дуги, плазмы, взрыва) для получения функциональных материалов и неразъемных соединений с высоким комплексом служебных свойств применительно к условиям Севера, а также для переработки техногенных отходов», № гос. регистрации 01.2.00104054; по проекту РФФИ р98арктит № 03-03-96007 «Формирование структуры и свойств порошковых алмазометаллических материалов при прессовании взрывом».
Цель работы: Создание износостойких алмазометаллических композитов с использованием порошков сплавов на основе железа методом взрывного прессования.
Цель работы предусматривает обоснование перспективности применения
метода взрывного прессования для получения износостойких АМК и
комплексное исследование основных факторов, определяющих прочность и
износостойкость композитов. В связи с этим для достижения поставленной цели >
потребовалось решение следующих задач
1. Исследовать структуру и свойства связующих материалов и
экспериментальных АМК в зависимости от параметров взрывного прессования
и последующей термообработки (ТО).
2. Исследовать сохранность алмазной компоненты в составе АМК,
полученных взрывным прессованием (гранулометрический состав и прочность
алмазных частиц в состояниях до прессования и после рекуперации из
спрессованного композита);
-
Исследовать износостойкость и процессы деструкции при абразивном износе экспериментальных АМК во взаимосвязи с их структурой.
-
Предложить составы связующего материала и определить режимы получения наиболее высоких физико-механических свойств АМК данного состава при использовании метода ВП.
Научная новизна и практическая значимость. Новизну работы составляет обоснование перспективности и разработка режимов технологического процесса взрывного прессования для создания износостойких алмазосодержащих материалов, в связи с чем исследованы материаловедческие аспекты воздействия ударных волн и последующего нагрева на металлическую и алмазную компоненты.
Впервые систематически исследованы условия формирования и регулирования составов и свойств порошковых АМК, полученных с применением энергии взрыва на стадии формования.
Выявлены основные факторы, определяющие создание
высокоэффективных АМК методом ВП с последующим нагревом, предложены составы порошковых смесей, технологические режимы и изготовлены опытные образцы. В основе полученных результатов идея использования в качестве связующего материала двухкомпонентных смесей порошков различного уровня твердости (легкодеформируемого и высокопрочного). Эффективность примененных подходов подтверждена экспериментально получением цилиндрических образцов АМК с износостойкостью, соответствующей уровню износостойкости промышленных алмазных карандашей, но при более чем вдвое меньшем содержании алмаза (опытные образцы и карандаши идентичны по размерам и составам алмазной компоненты).
Методология исследования. Методологическая суть работы заключается в применении подхода комплексного исследования основных аспектов, определяющих прочность и износостойкость композитов: составов матрицы, строения структуры после воздействия взрыва и последующей термообработки, влияния ударных волн на алмазные частицы, процессов деструкции материала при износе. На первом этапе работы для выявления наиболее благоприятных режимов ВП и ТО связующего материала получены и исследованы образцы из смесей связующих порошков без добавления алмазных. Далее исследованы строение и свойства образцов АМК с различными связками, в том числе двухкомпонентными. Также изучались характеристики алмазных зерен до и после воздействия ударных волн.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Обоснование перспективности применения метода взрывного прессования на стадии формования порошковых смесей для получения
износостойких алмазометаллических композитов с матрицей из порошков сплавов на основе железа и порошков природного алмаза.
-
Совокупность экспериментальных данных по влиянию составов порошковых смесей, технологических параметров ВП и ТО на структуру, свойства и некоторые особенности механизма изнашивания АМК. Обоснование основных факторов, определяющих создание износостойких АМК.
-
Использование двухкомпонентного связующего материала из порошков железоуглеродистых сплавов с различной твердостью как подхода, обеспечивающего возможность выполнения одного из наиболее труднодостижимых требований к абразивным структурам - одновременного сочетания твердости и пластичности.
-
Рекомендации по режимам ВП и ТО для исследованных составов алмазометаллических композитов, обеспечивающих их высокую износостойкость.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Сварка и родственные технологии - в XXI век» (Киев, 1998г.), межрегиональной конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (Хабаровск, 2001), I, II Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002, 2004) Всесоюзных научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-9 Красноярск, 2003, ВНКСФ-10 Москва, 2004), Юбилейной XV Международной Интернет-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения (Москва, 2003), республиканской научно-практической конференции «Пути решения актуальных проблем добычи и переработки полезных ископаемых» (Якутск, 2003).
Публикации. По теме диссертации имеется 12 публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы. Содержит 126 страниц, включая 39 рисунков, 14 таблиц, библиографию из 82 наименований.
