Наиболее важной частью для создания инструмента, используемого для бурения твердых горных пород, является разработка технологии изготовления и методик исследования материала режущего слоя данного инструмента. Физико-механические свойства режущего слоя полностью определяют эксплуатационные свойства инструмента, изготовленного на его основе.
Среди существующих методов получения материалов режущего слоя бурового инструмента наиболее технологичным является метод спекания поликристаллических сверхтвердых материалов из порошков алмаза в условиях высоких статических давлений и температур. Для повышения механических и эксплуатационных свойств предлагается использование добавки ультрадисперсных порошков алмаза в состав шихты при спекании.
В результате проведения работ на первом этапе ПНИ был разработан комплект технологической документации на изготовление экспериментальных образцов материалов режущего слоя 01100.00297.
Для контроля конечного качества материала режущего слоя, полученного в соответствии с ней, необходима разработка программ и методик исследования его физикомеханических свойств. Наиболее значимыми из таких свойств являются твердость, износостойкость и трещиностойкость, которые определяют эксплуатационные свойства конечного изделия.
Для достижения уровня значений характеристик материала режущего слоя, соответствующих требованиям технического задания необходимо провести отработку технологических параметров спекания образцов. Данная операция предполагает структурные исследования образцов, полученных при различных технологических параметрах спекания. По результатам данных исследований необходимо определить режимы спекания материала режущего слоя, при которых данный материал обладает необходимыми физико-механическими свойствами.
Таким образом, в результате проведенных работ на данном этапе необходимо получить технологию изготовления и исследования физико-механических свойств экспериментального материала режущего слоя.
1 Разработка Программы и методик исследовательских испытаний
экспериментальных образцов материалов режущего слоя
Физико-механические свойства материала режущего слоя характеризуются следующими показателями:
- Геометрические размеры, мм;
- Твёрдость, ГПа;
- Износостойкость, мг/кг;
- Трещиностойкость K1c,МПа∙м1/2;
1.1 Измерение геометрических размеров.
Геометрических размеров образцов материала режущего слоя проверяется с помощью штангенциркуля для каждого образца. Согласно техническому заданию образцы имеют два типоразмера, отличающиеся по диаметру: 15 и 17,5 мм. Для типоразмера 15 мм. диаметр образца должен быть не менее 14,4 мм. Для типоразмера 17,5 мм. диаметр образца должен быть не менее 16,8 мм. Для обоих типоразмеров высота образца должна быть не менее 1 мм и не превышать 3 мм.
Рынка строительных материалов
... теоретических аспектов маркетингового исследования маркетинговое исследование потребителей рынка строительных материалов г. Москвы разработка путей совершенствования рекламы строительных материалов в ООО "Строймонтаж" Объектом исследования является ООО "Строймонтаж". Предметом исследования - рынок строительных материалов г. Москвы. 1. Теоретические аспекты маркетингового исследования 1.1 Основные ...
1.2 Измерение твёрдости
Среди множества методов измерения твердости в настоящее время наибольшее распространение получили три из них – это методы измерения твёрдости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, а также метод измерения микротвёрдости по Кнупу. Во всех случаях контакт осуществляется вдавливанием индентора определённой формы и размера со степенью деформации 30…40%. При этом реализуется состояние всестороннего неравномерного сжатия с коэффициентом “мягкости” α>2, что позволяет производить оценку твёрдости практически любых, в том числе и очень хрупких материалов.
Разница в этих методах определяется формой и материалом индентора, так в случае метода Бринелля — это стальной или тёрдосплавный шарик, Роквелла — алмазный конус, Виккерса — четырехгранной алмазной пирамиды, Кнупа – четырехгранная алмазная пирамида с разными углами ребер при вершине.
Метод Кнупа является одним из наиболее совершенных и распространённых в лабораторной практике методов определения твёрдости. Высокая твёрдость и недеформируемость алмаза обеспечивает большую точность определения твёрдости, а форма индентора позволяет получать стабильные отпечатки даже при исследовании сверхтвердых материалов, к классу которых относится материал режущего слоя.
Измерение твёрдости по методу Кнупа основано на вдавливании четырехгранной алмазной пирамиды с углами между гранями 130° и 172,5° под действием определенной нагрузки, поддержании постоянства приложенной нагрузки в течение установленного времени и измерении диагоналей отпечатка, оставшихся на поверхности образца после снятия нагрузки. Расстояние между центрами отпечатка и краем образца или краем соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 длины большей диагонали отпечатка.
В соответствии с ГОСТ 9450-76 Твёрдость по Кнупу (HK) вычисляют по формуле
HK = 14,230·F/l02
где F — нагрузка, кгс; l0 – дина большей диагонали.
Для получения точных результатов при измерении твёрдости по Кнупу необходимо строго соблюдать следующие условия:
1. отношение толщины образца к диагонали отпечатка должно быть не менее 1,5;
2. отношение глубины отпечатка к его диагоналям – 1/7;
3. расстояние между центром и краем образца, а также краем соседнего отпечатка должно быть не менее 2,5 диагоналей отпечатка;
4. испытания проводить на тщательно отшлифованной или полированной поверхности.
Приборы для измерения твёрдости должны обеспечивать плавное приложение заранее установленной нагрузки в диапазоне от 0,98 до 9,8.
Имеющиеся приборы для измерения твёрдости – микротвёрдомер ПМТ-3 (максимальная нагрузка до 200г) и твёрдомер DuraScan (максимальная нагрузка до 10кг) предъявленным требованиям соответствуют; оба прибора внесены в госреестр РФ. Однако для поставленной задачи разрешение оптической системы измерения размеров отпечатков алмазной пирамиды является недостаточной: потребуется измерять диагонали отпечатков размером от 4 до 15 мкм с точностью ±0.1 мкм. Установленные на приборах микроскопы имеют максимальное увеличение х630, что приводит к неприемлемо большой ошибке.
Твердость материала
... другие материалы с твердостью HRB 25 - 100 C Алмазный конус 150 10 140 Стали и сплавы с твердостью HRC 20 - 67 2.4 Твердость по Шору Метод измерения твердости ... большую точность измерения твердости (особенно при измерении твердости чугуна или крупнозернистых сплавов). Минимально допустимая толщина образца для корректного измерения твердости НВ должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка h. ...
Поэтому для повышения точности измерений необходимо определять размеры отпечатков с помощью металлографического микроскопа «Olimpus», обеспечивающего увеличение х1000.
1.3 Измерение износостойкости
Для определения износостойкости материала алмазного слоя используется испытательный стенд на базе токарно-винторезного станка. Областью применения исследуемого материала является изготовление инструмента для бурения высокотвердых горных пород. Таким образом наиболее целесообразно проводить измерение износостойкости при истирании образцом гранитной заготовки.
По ГОСТ 27674-88 износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.
Сущность метода заключается во взаимном истирании образца материала режущего слоя и гранитной заготовки. Образец материала режущего слоя предварительно взвешивается на аналитических весах с точностью 0,005 г. Гранитная заготовка предварительно взвешивается на лабораторных весах с точностью 0,01 г. После взвешивания образец закрепляется в держатель резцедержателя, а заготовка из гранита закрепляется в патроне токарно-винторезного станка. После взаимного истирания образца и заготовки проводится их повторное взвешивание и определяется убыль массы. Износостойкость материала вычисляется по формуле
N=Δm/ΔM,
где Δm – убыль массы образца режущего слоя, мг; ΔM – убыль массы заготовки из гранита, кг.
1.4. Измерение трещиностойкости
Определение сопротивления разрушению материалов (трещиностойкости) методом индентирования осуществляется по ГОСТ Р 8.748-2011. Согласно методу (требования к оборудованию и качеству подготовки поверхности образцов совпадают с требованиями при измерении твёрдости), алмазный наконечник в виде четырёхгранной пирамиды вдавливается в образец при нагрузке, обеспечивающей образование трещин из углов квадратного отпечатка.
После измерений длин диагоналей отпечатков и трещин значения трещиностойкости определяются по формулам:
(3.3)
- для медианных трещин, и
(3.4)
- для трещин Палмквиста,
где Р – приложенная нагрузка, Е – модуль упругости, HV – твёрдость по Кнупу, с – длина медианной трещины, измеренная от центра отпечатка, l – длина трещины Палмквиста, измеренная от угла отпечатка, 2ad – диагональ отпечатка.
По литературным данным:
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/issledovatelskie-ispyitaniya/
- для образования трещин размером ≈1.5 диагонали отпечатка необходимо приложить нагрузку на 15-30% выше, чем необходимо при измерении твёрдости;
— – погрешность определения Кс для исследуемых образцов указанным методом не превышала 10% (измерения были выполнены на ПМТ-3 при нагрузке 200 г).
Поэтому можно считать, что описанная выше методика обеспечит измерение трещиностойкости с погрешностью не более 10%.
2 Изготовление экспериментальных образцов материалов режущего слоя
Для получения характеристик режущего слоя, соответствующих требованиям технического задания, были проведены исследования по уточнению параметров спекания экспериментальных образцов.
Оценка качества строительных материалов
... рост всего рынка параллельно с восстановлением строительной отрасли и реализацией национальных проектов по обеспечению населения жильем. Тема дипломной работы «Товароведная оценка качества керамической плитки» актуальная, так как ...
2.1 Приготовление шихты режущего алмазного слоя.
Шихта алмазного слоя включала следующие составляющие:
- алмазный микропорошок АСН 14/10 — 75 %
- алмазный микропорошок АН 5/3 — 20 %
- порошок наноалмаза УДА-С — 5%
Смешивание компонентов шихты алмазного слоя производили в смесителе MIXER0.5. Расположение барабана с навесками относительно оси вращения (45 ± 5)о, частота вращения барабана – 50 об/мин; время смешивания – 120 мин.
2.2 Приготовление компонентов и снаряжение ячейки высоких давлений.
Шихту режущего слоя (позиция 10 на рисунке 1) помещали в ячейку высокого давления. Для передачи квазигидростатического давления в ячейке используются кольца из кальцита (позиции 1,4,5 на рисунке 1), изготавливаемые методом прессования с бакелитовым лаком и последующим отжигом. Для создания и поддержания необходимой температуры используются нагреватель и крышки, спрессованные из смеси графита и оксида алюминия (позиции 2,3 на рисунке 1), через которые пропускается электрический ток. При этом соотношение графита и оксида алюминия может варьироваться для изменения общего электрического сопротивление ячейки. Для изоляции шихты от графитовых элементов сборки используются боковые кольца и торцевые крышки из спрессованного порошка гексагонального нитрида бора (позиции 6 и 8 на рисунке 1).
Для придания дополнительной жесткости и изменения высоты получаемого образца режущего слоя используется вставка из спрессованного оксида алюминия (позиция 9 на рисунке 1) варьируемой высоты.
Рисунок 1: Схема ячейки высокого давления.
2.3 Спекание образцов материалов режущего слоя
Снаряженные ячейки помещали в камеру высокого давления типа наковальня с лункой «тороид» с диаметром лунки 40 мм и спекали в условиях высоких давлений и температур на установке УРС-1 на базе пресса ДО-044. Рабочее давление составляет 5 – 7 ГПа, температура составляет 1400 – 1600 ºС, время выдержки при заданной температуре 5 мин. Отработку параметров проводили на образцах диаметром 9 — 13 мм, при спекании образцов диаметром до 20 мм для получения образца с аналогичными характеристиками достаточно увеличить мощность нагрева на 10%. 3 Проведение исследовательских испытаний экспериментальных образцов материалов режущего слоя
3.1 Исследование спектров КРС полученных образцов материалов режущего слоя.
В таблице 1 приведены составы шихты и режимы спекания наиболее характерных из исследуемых методом спектроскопии КРС образцов материалов режущего слоя.
Таблица 1: Образцы, исследуемые методом спектроскопии КРС.
Параметры спекания № образца Состав Давление, Температура, Время выдержки,
ГПа ºС мин. 14-156-2 5,5 1600 4
АСН 14/10 + 20% АН5/3 + 14-196 5,5 1500 4
5% УДА-С 14-226 5,5 1400 4
Спектры КРС и фотолюминесценции получены на установке с микроскопической приставкой на базе спектрометра TRIAX 552 (Jobin Yvon) и детектора CCD Spec-10, 2KBUV (2048×512) (Princeton Instruments), c системой отрезающих фильтров для подавления возбуждающих лазерных линий. Источником возбуждающего света служит лазер STABILITE 2017 компании Spectra-Physics.
Методы измерения твердости
... испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний: простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях; высокая производительность; измерение твердости ... Виккерса). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, ...
Спектральный диапазон 200 – 800 нм
Спектральное разрешение 1 см-1
Лазерное возбуждение спектра 514 нм
Пространственное разрешение 1 – 2 мкм
Методом КРС исследовано не менее 10 точек на каждом образце. Наиболее представительные спектры показаны ниже.
Рисунок 2: Спектры КРС образца № 14-156-2.
На рисунке 2 представлены спектры КРС образца № 14-156-2. В спектре данного образца наблюдается полоса алмаза в области 1332 см-1 и полосы графита в области 1350 см-1 (Д-полоса) и 1580 см-1 (Г-полоса) на сильном люминесцентном фоне.
Рисунок 3: Спектры КРС образца № 14-196.
На рисунке 3 представлены спектры КРС образца № 14-196. В спектре данного образца наблюдается полоса алмаза в области 1332 см-1 и полосы графита в области 1350 см-1 (Д-полоса) и 1580 см-1 (Г-полоса) на сильном люминесцентном фоне (в отдельных точках).
Максимальная интенсивность полос графита в отдельных точках в 20 раз слабее полосы алмаза.
Рисунок 4: Спектры КРС Образца № 14-226.
На рисунке 4 представлены спектры КРС образца № 14-226. В спектре данного образца наблюдается полоса алмаза в области 1332 см-1 на сильном люминесцентном фоне. Полос графита не выявлено.
Таким образом, по результатам исследования образцов методом спектроскопии КРС можно сделать вывод об оптимальной температуре спекания образцов материалов режущего слоя. При повышении температуры выше 1400 ºС в образцах происходит частичная графитизация алмаза: образуется графитоподобная фаза, негативно влияющая на структуру и механические свойства материала режущего слоя.
3.2. Измерение микротвердости полученных образцов материалов режущего слоя.
Основной характеристикой, оказывающей наибольшее влияние на эксплуатационные свойства материала режущего слоя, является значение его твердости. Среди методов измерения твердости наиболее подходящим и информативным является метод измерения микротвердости по Кнупу. Выбор данного метода связан со сложностями измерения твердости материалов, чья твердость сопоставима с твердостью измерительного индентора. В таких условиях при измерении твердости по методу Виккерса или Роквелла не позволяет получать стабильные результаты вследствие отсутствия возможности нанесения ровного отпечатка индентора на исследуемый сверхтвердый материал. Кроме того, измерение микротвердости по методу позволяет получать значения твердости отдельных структурных элементов исследуемого материала.
Рисунок 5: Измерение микротвердости образцов.
На рисунке 5 представлен шлиф образца материала режущего слоя с отпечатками индентора. Значение микротвердости всех полученных образцов было не менее 75 ГПа и для большинства измерения находилось в диапазоне от 85 до 90 ГПа. Стабильность результатов измерения микротвердости образцов свидетельствует об однородности структуры и полноте процесса спекания алмазных частиц, происходящего с образованием связей алмаз-алмаз.
4 Разработка Программы и методик исследовательских испытаний макетов
режущих элементов.
Физико-механические свойства макетов режущих элементов характеризуются следующими показателями:
- Непараллельность относительно базовой поверхности, мм;
- Геометрические размеры, мм;
- Шероховатость поверхности после шлифования, мкм.
4.1 Измерение непараллельности.
Технологии изготовления режущего инструмента
... При очень больших напряжениях может наблюдаться деформирование и пластическое течение тонкого поверхностного слоя. Режущие инструменты подвергаются воздействию повышенных напряжений, чаще всего изгиба и кручения. Максимальный изгибающий или ...
Проверка параллельности двух плоских поверхностей образца-изделия проводится согласно ГОСТ 25889.2-83. Проверка по данной методике осуществляется с помощью прибора для измерения длин, измерительный наконечник которого касается верхней поверхности поверочной линейки, приложенной к проверяемой поверхности исследуемого образца. За значение непараллельности принимается наибольшее отклонение измеряемой длины в разных сечениях макета режущего элемента.
4.2 Измерение геометрических размеров.
Геометрические размеры макетов режущих элементов проверяется с помощью микрометра для каждого образца. Согласно техническому заданию образцы имеют два типоразмера, отличающиеся по диаметру. Диаметр макета типоразмера I должен составлять (13,44 ± 0,05) мм. Диаметр макета типоразмера II должен составлять (15,88 ± 0,02) мм. Для обоих типоразмеров высота образца должна быть не менее 1 мм и не превышать 3 мм.
4.3 Измерение шероховатости.
Для измерения параметров профиля и шероховатости по системе средней линии по ГОСТ 25142-82 применяется профилометр модели 130.
Принцип действия данного прибора заключается в преобразовании в цифровой сигнал механических колебаний щупа, проходящего по поверхности исследуемого образца. Чувствительность индуктивного датчика профилометра имеет величину в 0.002 мкм, что позволяет описывать рельеф неровностей высотой от 0.005 мкм. В комплекте с прибором присутствует ряд эталонных образцов с заданным параметром шероховатости.
Для измерения шероховатости исследуемого образца необходимо попеременно сравнить шероховатость исследуемого образца с эталонным образцом. После этого необходимо выбрать из эталонных образцов наиболее близкий по значению шероховатости к исследуемому образцу. Таким образом, за величину шероховатости исследуемого образца принимается значение данного параметра для выбранного эталонного образца.
5 Изготовление макетов режущих элементов
Изготовление макетов режущих элементов необходимо проводить при использовании технологии спекания при высоких давлениях и температурах. Процесс спекания, оборудование и технологичные параметры аналогичны таковым для получения материала режущего слоя. Исключение составляет температурный режим спекания. Это связано с необходимостью появления жидкой фазы в твердосплавной подложке изготавливаемого макета режущего элемента. Жидкая фаза из твердосплавной подложки обеспечивает пропитку режущего слоя и припекание его к самой подложке. Таким образом температура спекания должна составлять не менее 1600 °С, но в то же время не должна сильно превышать данную величину. Данное обстоятельство связано с технологическими ограничениями, при которых оборудование не может выдерживать большое количество циклов изготовления изделия.
В качестве шихты для спекания макетов режущих элементов используются две предварительно спеченные пластины:
1) Пластина твердосплавной подложки, изготовленная согласно КТД 01100.00297.
2) Пластина алмазного режущего слоя, изготовленная согласно КТД 01100.00298.
Пластины подложки и режущего слоя (позиция 10 на рисунке 1) помещали в ячейку высокого давления. Для передачи квазигидростатического давления в ячейке используются кольца из кальцита (позиции 1,4,5 на рисунке 1), изготавливаемые методом прессования с бакелитовым лаком и последующим отжигом. Для передачи температуры используются нагреватель и крышки, спрессованные из смеси графита и оксида алюминия (позиции 2,3 на рисунке 1), через которые пропускается электрический ток. При этом соотношение графита и оксида алюминия может варьироваться для изменения общего электрического сопротивление ячейки. Для изоляции шихты от графитовых элементов сборки используются боковые кольца и торцевые крышки из спрессованного порошка гексагонального нитрида бора (позиции 6 и 8 на рисунке 1).
Рефераты по лазерному спеканию
... камере при максимальной температуре составляло 3-5 х10-4 Ра. По окончании процесса спекания образцы подвергались отжигу в атмосфере воздуха при температуре 1100оС в течение ... DSC) и термогравиметрии (TG), а также исследованы рентгеноструктурные характеристики керамик после спекания. Все измерения выполнены на оборудовании Института электрофизики УрО РАН. 2. Результаты исследований Использованные ...
Для придания дополнительной жесткости и изменения высоты получаемого образца режущего слоя используется вставка из спрессованного оксида алюминия (позиция 9 на рисунке 1) варьируемой высоты.
Снаряженные ячейки помещали в камеру высокого давления «тороид» с диаметром лунки 40 мм. и спекали в условиях высоких давлений и температур на установке для спекания при высоких давлениях и температурах на базе пресса ДО-044». Рабочее давление составляет 5 – 7 ГПа, температура составляет 1600 ºС, время выдержки при заданной температуре 5 мин. Для получения образцов макетов режущих элементов типоразмера I диаметром 15 мм, при спекании образцов типоразмера II диаметром 17,5 мм для достижения аналогичных характеристик конечного изделия необходимо увеличить мощность нагрева на 10%.
При соблюдении вышеописанной технологии изготовления полученные образцы макетов режущих элементов соответствует заданным физико-механичаским свойствам.
Заключение
Разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов материала режущего слоя, полученных в соответствии с комплектом технологической документации на изготовление экспериментальных образцов материалов режущего слоя 01100.00297.
Для измерения твердости материала режущего слоя применяется метод измерения микротвердости по Кнупу. Для измерения износостойкости материала применяется метод соотношения убыли массы образца и истираемой заготовки. Для измерения трещиностойкости применяется метод индентирования с последующим анализом трещин от отпечатка индентора.
На основе выбранных методов была разработана «Программа и методики испытаний экспериментальных образцов материалов режущего слоя», приведенная в Приложении Б к данному отчёту.
Методом спекания при высоких давлениях и температурах изготовлены экспериментальные образцы материала режущего слоя. Для оптимизации технологических параметров спекания были проведены исследования образцов методом спектроскопии КРС. В результате исследований была определена оптимальная температура спекания материала режущего слоя, составляющая 1400 ºС. Проведены измерения твердости полученных образцов. Результаты измерения показали удовлетворительные значения данного параметра.
Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов материалов режущего слоя. Результаты проведенных испытаний, приведенных в Приложении В, показали полное соответствие измеренных значений с заявленными в техническом задании.
Приложение А
Акт изготовления экспериментальных образцов материалов режущего
слоя
Приложение Б
Программа и методики исследовательских испытаний материалов
режущего слоя
Приложение В
Акт исследовательских испытаний материалов режущего слоя
Материалы, применяемые для изготовления режущей части инструмента ...
... для резания с повышенной скоростью, а также для обработки твердых материалов. Низколегированные инструментальные стали подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости. Для изготовления режущих ... течение длительного времени срезать стружку. Значительное превышение твердости инструментального материала по сравнению с твердостью обрабатываемой заготовки должно сохраняться и при ...
