Объектом разработки является алмазный инструмент для резания горных пород и строительных материалов, работающий в условиях больших глубин резания. Данная область применения алмазного инструмента является одной из наиболее нужных, но и наиболее сложных с точки зрения условий работы и характеризуется использованием в инструменте высококачественных алмазных крупнозернистых порошков с высокими показателями статической и динамической прочности.
Стоимостная доля инструмента такого класса в общем объеме выпуска алмазного инструмента оценивается в 14-20%, а доля затрат на инструмент в общей стоимости работ по обработке камня и строительных материалов тем выше, чем более труднообрабатываемыми являются материалы, подвергаемые распиливанию. Так что у пользователя инструмента существует постоянный интерес к повышению основной эксплуатационной характеристики отрезного инструмента - его стойкости, описываемой показателем удельного расхода алмазов на 1 м2 реза.
Использование в камнерезном инструменте все более качественных и высокопрочных алмазных порошков ставит первоочередной задачей разработку составов более износостойких связок инструмента, которые позволяли бы наиболее полно использовать потенциал высокопрочных марок алмазных порошков. Актуальность поиска таких составов подтверждается большим количеством патентов по данному вопросу.
При разработке новых составов связок алмазно-металлических композиций (АМК) отрезного инструмента одним из наиболее перспективных направлений является использование новых композиционных материалов. Данный подход, зарекомендовавший себя с самой лучшей стороны при решении задач формирования защитных покрытий, при разработке связок алмазного инструмента почти не используется. Так что представляемая разработка является одним из первых шагов в этом направлении.
Целью настоящей работы является создание новых получаемых с использованием карбидов СВС износостойких связок для алмазного отрезного инструмента, работающего при больших глубинах резания, и разработка технологии получения на основе этих связок рабочих элементов инструмента.
Введение в состав связок АМК износостойких соединений (карбидов, нитридов, оксидов) является достаточно распространенным приемом, дающим наиболее ощутимый эффект при обработке высокоабразивных материалов невысокой прочности (песчаник, известняк).
При обработке высокопрочных (гранит) либо вязких (магматит) материалов такой прием оказывается не столь эффективным, так как рост абразивной стойкости таких связок сопровождается снижением их способности противостоять динамическим нагрузкам из-за увеличения хрупкости и ускоренного их разрушения при превышении долей износостойкого составляющего 5-8 объемных процентов.
И если указанный недостаток для материалов, получаемых по технологиям пропитки либо электроконтактного спекания, преодолевается за счет использования высоких температур и появления жидких фаз металлов, хорошо смачивающих износостойкие соединения, то для других, более широко распространенных вариантов спекания (в том числе спекания под давлением) отмеченная выше тенденция существенно снижает возможности совершенствования связок путем введения износостойких соединений.
Отличительной особенностью износостойких наполнителей является их низкая смачиваемость расплавами легкоплавких металлов, так что традиционный метод введения износостойких соединений (в частности, карбидов тугоплавких металлов) путем механического смешивания существенно ухудшает уплотняемость при спекании из-за высоких значений краевого угла смачивания карбидных соединений и дополнительной пористости по их границам.
В представленной работе предложено для создания таких карбидосодержащих связок использовать композиционный порошок системы "износостойкие соединения (наполнитель) - связующий металл", в котором наполнитель был бы полностью покрыт металлической оболочкой с образованием между его частицами надежной адгезионной связи, предпочтительно химического типа.
В частности, процессом, способным обеспечивать такой тип связи, является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) карбидных соединений из реакционной смеси исходных продуктов синтеза карбидов и связующего металла из ряда растворяющих карбиды (Co, Ni, Fe).
Методически работа строилась следующим образом. В базовую систему элементов Cu-Sn-Ni, влияние химического состава на физико-механические характеристики которой было исследовано ранее, дополнительно вводились СВС-карбиды в виде композиционного порошка NiCr3C2/TiC. Для данной композиционной системы оценивалось влияние на ее физико-механические характеристики трех варьируемых параметров: массового содержания олова, массового общего содержания карбидов и доли карбида титана в общей массе карбидной составляющей. Для трех физико-механических характеристик композиции - прочности на изгиб ( s и), ударной вязкости (KCU) и твердости (HRB) - получены полиномиальные модели третьего порядка, описывающие их изменение от упомянутых выше варьируемых параметров.
На основании анализа ряда источников информации и результатов собственных работ установлено, что необходимым условием достижения низких значений удельного расхода алмазов при резании гранита является обеспечение физико-механических характеристик связки инструмента не ниже следующих величин: s и - 800 Н/мм2, KCU - 6 кДж/м2, HRB - 90, а более высокие значения данных характеристик до определенных величин при прочих равных условиях способствуют более низкому удельному расходу. Исходя из этого положения, математической обработкой результатов моделирования можно из рассмотрения исключить области, где хотя бы по одной из характеристик не обеспечивается достижение граничного значения, существенно сузив тем самым область поиска оптимума.
Для того чтобы обоснованно подойти к его поиску в выделенной области, попытались оценить влияние на показатель удельного расхода изменения одной из физико-механических характеристик связки при фиксированных значениях двух других. Так как возможность независимого варьирования данными характеристиками в силу их взаимосвязи отсутствует, то был применен следующий прием.
Фиксировалось значение одной из физико-механических характеристик, например, s и, и из массива расчетных значений описывающей ее функции отклика выделялась область, соответствующая данному условию фиксированного s и.
Аналогичным образом определяется область фиксированного значения другой характеристики, например KCU, а затем и пересечение этих областей, что дает уже довольно узкий участок факторного пространства, для которого две характеристики принимают фиксированные значения (например, s и и KCU), а третья характеристика имеет ряд переменных значений.
Таким образом, удается определить ряд точек со значениями варьируемых параметров, имеющих только одну изменяемую характеристику (в рассматриваемом случае - HRB). Далее из такого ряда выбирались точки с крайними значениями HRB и две промежуточные точки, для полученных четырех значений HRB изготавливались макетные образцы отрезных кругов с одинаковой алмазной составляющей и проводились их стендовые испытания. Полученные по результатам стендовых испытаний результаты позволяли оценить функциональную зависимость q = f(HRB) в определенном диапазоне варьирования твердости. Аналогичным образом оценивалась зависимость q и от двух других характеристик связки - s и и KCU. Анализ данных зависимостей позволил с достаточной степенью обоснованности выделить области наиболее вероятного оптимума удельного расхода алмазов инструмента.
Как отмечалось ранее, одной из основных предпосылок достижения положительного эффекта от использования композиционной связки СВС-карбидов является достижение надежной адгезионной связи карбидов со связующим металлом и обеспечение максимально возможного покрытия им (в данном случае никелем) поверхности карбидных зерен. Учитывая, что в известных связках камнеобрабатывающего инструмента достаточно широко в качестве износостойкого наполнителя применяется карбид хрома, в качестве исходной порошковой системы для процесса СВС была рассмотрена система эвтектического типа Ti/Cr-C-Ni. Наличие в данной системе Ti обусловлено следующим.
Термодинамический анализ процессов фазообразования в такой системе показывает, что наибольшее изменение энергии Гиббса (Dgо298 = -90 кДж/г-ат) и энтальпии характерны для реакции образования TiC (Dhо298 = -98,8 кДж/г-ат), что свидетельствует о предпочтительности протекания реакции его образования по сравнению с реакциями образования карбидов хрома (Cr3C6, Cr7C3, Cr3C2), а также об обеспечении наибольшего тепловыделения, поддерживающего распространение волны горения (примерно в 4-4,5 раза выше, чем у карбидов хрома). При недостаточной экзотермичности реакционной смеси (высокая доля никелевого связующего либо хрома) возникает необходимость в использовании предварительного подогрева реакционной шихты.
Так что представлялось интересным оценить и действие фактора состава карбидной составляющей на свойства композиционной связки алмазного инструмента.
Переход от твердых исходных веществ к конечным твердым продуктам осуществляется в волне СВС через жидкие промежуточные продукты, и это является весьма существенным в механизме процесса. В отличие от твердофазных превращений, где рост слоя твердого продукта лимитируется диффузией, диффузионный перенос в жидкой фазе не является ограничением - в жидких металлах значение коэффициента диффузии вблизи температуры плавления на несколько порядков выше, чем в твердых фазах при тех же температурах. Так что локальное термодинамическое равновесие в твердо-жидкой системе устанавливается быстро, и реагирующая неравновесная система приходит в состояние с минимальной в данных условиях свободной энергией. Таким образом, образование в зоне волны СВС вследствие выделяющейся теплоты реакций расплава связующего металла является существенным элементом механизма СВС, так как образующаяся жидкая фаза начинает играть роль среды, в которой происходит быстрый массоперенос реагентов и устраняются кинетические барьеры, имеющиеся в твердофазном контакте.
В области плавления помимо диффузионных процессов активно протекают процессы формирования тугоплавких частиц карбидов Ti и Cr и их перекристаллизации через жидкую фазу подобно механизму, имеющему место при спекании твердых сплавов. Это обеспечивает высокую адгезионную прочность границы раздела фаз карбидной и металлической составляющих (работа адгезии составляет десятки килоджоулей на моль).
В процессе СВС формируется мелкозернистая структура материала с тонким объемным распределением карбидных включений.
Карбид титана формируется в виде зерен округлой формы размером 0,5-5 мкм с микротвердостью Hv100 = 766-1449 кгс/мм2. При этом в зернах карбида титана отмечается микрорентгеноспектральным анализом наличие до 3% Cr. В зависимости от условий проведения процесса возможно формирование карбидов с составом Cr3C2 или Cr7C3. Карбиды хрома встречаются главным образом в виде полиэдрических кристаллов и отдельных частиц размером до 5-10 мкм, микротвердость их составляет Hv100 = 1449-1648 кгс/мм2. Связующий твердый раствор на основе никеля содержит до 10% Cr и 5% Ti и имеет микротвердость Hv100 = 300-450 кгс/мм2.
Внутри частицы карбиды контактируют со связующим металлом без образования дополнительной пористости по границам, что говорит о хорошей смачиваемости Ni карбидной фазы. Однако карбидные зерна, выходящие на поверхность частицы, не покрыты полностью Ni, а имеют участки, которые будут в дальнейшем контактировать с металлической основой (Cu-Sn-Ni) связки алмазного инструмента. И потому следует отметить, что в синтезируемых порошках не достигается оптимальное полное закрытие карбидных зерен никелем, как это представлено в гипотетической модели композиционного содержащего карбид порошка. Следует отметить, что площадь открытой поверхности карбидных зерен единичной частицы не превышает 20% их общей поверхности, что обеспечивает гораздо лучшие условия закрепления единичных карбидных частиц в связке инструмента и выражается в существенном приращении значений ударной вязкости, прочности композиционной связки и снижении усилий для ее уплотнения при спекании под давлением.
При выполнении экспериментальных работ по разработке состава композиционной связки Cu-Sn-Ni-СВС-карбиды на основании результатов ряда экспериментов и выполненных ранее работ для других композиционных систем из возможного числа смесевых и режимных факторов в качестве варьируемых были приняты следующие три фактора: массовое содержание олова, массовое общее содержание СВС-карбидов и процентное содержание карбида титана в общей массе карбидной составляющей.
Установлено, что факторы массового содержания олова и общего массового содержания СВС-карбидов характеризуются однонаправленным действием: увеличение их массового содержания ведет к росту твердости, а также снижению прочности на изгиб и ударной вязкости, что согласуется с полученными результатами для композиции Cu-Sn-Ni.
Влияние третьего варьируемого фактора - доли TiC в общем содержании СВС-карбидов - существенно только для параметров HRB и KCU.
Анализ полученных моделей позволяет выявить наличие зоны факторного пространства, в которой значения всех изучаемых физико-механических характеристик укладываются в область, границы которой были указаны ранее по аналогичным составам связок и результатам собственных работ. Однако отмеченный выше факт разной направленности влияния смесевых факторов на значения KCU, s и и HRB не позволяет получить точки факторного поля с высокими значениями всех трех характеристик одновременно.
В этой связи интересно получение оценочных зависимостей индивидуального влияния каждой из рассматриваемых единичных физико-механических характеристик ( s и, KCU, HRB) при фиксированных значениях двух других на показатель стойкости алмазного инструмента (удельный расход алмазов в процессе его работы). Путем сечения факторного пространства поверхностями с фиксированными значениями двух характеристик определялся ряд точек с переменными значениями третьей характеристики.
Для них были получены макетные образцы алмазных отрезных кругов и подвергнуты стендовым испытаниям в условиях, имитирующих резание при эксплуатации инструмента.
Полученные по результатам стендовых испытаний однофакторные зависимости удельного расхода алмазов от исследуемых физико-механических характеристик свидетельствуют о том, что в реализованных диапазонах изменения характеристик увеличение значений факторов HRB (и в меньшей степени - s и) способствует снижению расхода.
Для фактора KCU рост отмечается до области значений 9-14 Дж/см2, превышение которых может вести к некоторому росту удельного расхода алмазов и сопровождаться снижением производительности обработки.
На основе полученных однофакторных зависимостей удельного расхода алмазов от исследуемых физико-механических характеристик и экспертной экстраполяции зависимостей на более широкую область факторного пространства предложена линейная оптимизационная модель для удельного расхода алмазов q = f(KCU, s и, HRB), позволившая выявить области предполагаемого оптимума удельного расхода. Из выделенных трех областей с весьма близкими значениями расчетной функции q по результатам стендовых испытаний макетных образцов инструмента наименьший расход алмазов получен для следующего состава связки: Cu - 24,4%, Ni - 56,5%, Sn - 6%, СВС-карбиды - 13,1% с содержанием TiC 45% от общей массы карбидной составляющей. Полученный по результатам стендовых испытаний удельный расход алмазов составил 0,63 карат/м2 реза при обработке магматита Глушковичского месторождения. Результаты эксплуатационных испытаний отрезного сегментного круга 800 мм при резании гранита Янцевского месторождения также подтвердили высокий уровень эксплуатационных показателей инструмента на разработанной связке с СВС-карбидами: удельный расход алмазов - 0,74 карат/м2, производительность обработки - 28,5 см2/мин, что свидетельствует о превосходстве данной связки над связками, используемыми другими разработчиками на рынке СНГ (удельный расход до 0,8-1,0 карат/м2 при производительности 19,0-26,0 см2/мин). Композиционная связка с СВС-карбидами хорошо себя зарекомендовала и применительно к инструменту для резания бетона, только для данной области работ предпочтительным является использование другого соотношения компонентов Cu - 20,1%, Ni - 46,4%, Sn - 11,5%, СВС-карбид хрома - 12%.
Данный состав связки имеет более высокую твердость (100-102 единицы HRB) при хорошей ударной вязкости (KCU = 6,0-6,8 Дж/см2) и обеспечивает при использовании синтетических алмазных порошков значение удельного расхода алмазов не выше связок пропиточного класса типа WC-Co-Cu при достижении более высокой (в 1,2-1,4 раза) производительности.
Таким образом, подход к созданию связок алмазного инструмента с использованием преимуществ композиционного карбидосодержащего порошка, полученного методом СВС, оказался эффективным и открывает широкие возможности дальнейшего совершенствования металлических связок и алмазного инструмента в целом как для рассмотренной области работ, так и для других областей алмазной обработки хрупких неметаллических материалов.
