РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКИ ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ.
У відповідності до мети роботи і завдань, сформованих у розділі 1 для дослідження фізико-механічних властивостей алмазних полікристалічних матеріалів, автором застосовано такі методи: визначення зносостійкості та термостабільності; дослідження модуля пружності. Для вивчення структурного стану полікристалів використовувалися методи електронної мікроскопії та рентгендифракційного аналізу. Вплив структурного стану композита алмаз-SiC на його капілярні властивості досліджувалися за допомогою визначення крайового кута змочування в системі "поверхня композита (алмаз-SiC) - металічний розплав".
2.1. Методи контролю зносостійкості алмазних композитів
Алмазні полікристалічні матеріали (АПМ) ефективно використовуються у ріжучому інструменті для обробки металів, керамік, а також у бурових головках і долотах. Тому їх фізико-механічні і абразивні властивості мають дуже важливе значення, а пов'язана з ними зносостійкість є одним з найбільш інформативних показників алмазного полікристала.
Для визначення зносостійкості АПМ в основному використовуються два методи:
1) обробка алмазним полікристалом за допомогою операції різання абразивного круга;
2) обробка полікристалом блока кварцевого пісковику.
Проведення випробовувань по першому методу [64] виконується на стенді (рис. 2.1), який зроблено на базі заточувального верстата. Верстат оснащений гідравлічною системою з храповим механізмом дискретного поздовжнього переміщення столу відносно абразивного круга, на якому закріплено вимірюючий пристрій. Шпиндель верстата має привід з безступінчастим регулюванням частоти його обертання до 3000 об/хв.
Алмазний полікристал закріплюється у тримач, на який наклеєно тензодатчики, а на полікристал клеїться термопара. Різець з алмазного композиційного матеріалу переміщують у горизонтальній площині в радіальному напрямі відносно абразивного круга. Глибина врізання не перевищує 0,2 мм. Виконується вимірювання моменту опору, ширини площини зносу та температури алмаза біля зони різання.
Іншою різновидністю цього ж методу є проточування алмазним полікристалом абразивного круга при глибині різання 0,15 мм. По закінченню різання вимірюється величина зносу полікристала.
Для алмазних матеріалів, що застосовуються в буровому інструменті, більш придатним є другий метод, в основі якого лежить визначення зносу алмазного матеріалу при струганні блоку кварцевого пісковику твердістю (530 ? 30) кгс/мм2 з вмістом кварцу 80 % із Чистяковського кар'єра Торезького родовища (ТУ2-037-547-86 із змінами та доповненнями). Кріплення полікристала виконувалося механічним способом у різцетримачі, який складався із сталевого тримача у прижим, що був з'єднаний болтом (рис. 2.2). Параметри різання:
- швидкість різання 0,55 м/сек
- глибина різання 0,5 мм
- поперечна подача 1,4 мм/хід.
У роботі зносостійкість визначалася з використанням другого методу, модифікованого автором. У зв'зку з тим, що за останні роки досягнуто значне покращання абразивних властивостей АПМ, шлях різання полікристалом було збільшено з 50?1 м до 120?1м. Різці, зроблені з алмазних термостабільних матеріалів, використовуються для розбурювання більш твердих порід, ніж породи в яких ефективно працюють елементи типу АТП (PDC). Тому в роботі кут нахилу полікристалів до поверхні пісковику було збільшено до 15?0,5?. Схема випробовування показана на рис. 2.3.
Рис. 2.1. Схема різання. 1 - абразивний круг; 2 - стіл верстата;
3 - тримач з полікристалом; 4 - пересувний стіл; 5 - упор
Рис. 2.2. Різцетримач з полікристалом. 1 - корпус тримача;
2 - притиск; 3 - полікристал.
Рис. 2.3. Схема дослідження зносостійкості алмазних
композиційних матеріалів.
Перед проведенням випробовувань поверхню блока кварцевого пісковику змочували водою.
Після проведення випробовувань вимірювали знос алмазного полікристала. Величина зносу - лінійний розмір висоти центральної частини ділянки зносу по бічній поверхні (рис. 2.4) Вимірювання проводили на інструментальному мікроскопі з похибкою 0,03 мм.
При переході на новий блок пісковику проводили контроль його неоднорідності по абразивності. Для цього полікристал випробовувли 2 рази - на змінному блоці та на новому з обертанням алмазного різцю у тримачі. Поправковий коефіцієнт знаходився за формулою:
K=h1/h2 ,
де h1- знос на старому блоці, h2- знос на новому блоці.
Результати проведених автором досліджень алмазних полікристалів АСБ-6 та АСПК по вищенаведеній методиці наведено у таблиці 2.1. Вони узгоджуються із закономірностями, які відображено у роботі [7], що можна вважати підтвердженням правильністі вибору методики.
2.2. Методика дослідження термостабільності алмазних полікристалічних матеріалів
При бурінні порід алмазний полікристал працює у режимі безперервного різання при значному заглибленні в породу (0,5-1 мм). При цьому, має місце значне нагрівання кромки різця незважаючи на інтенсивне охолодження долота. Останнє підтверджується тим фактом, що матеріали типу PDC (термостабільність до 800оС) ефективно працюють у м'яких та середніх породах і швидко зношуються у твердих [27]. Тому дослідження термостабільності алмазних полікристальних матеріалів є також важливим для
Таблиця 2.1.
Результати дослідження зносостійкості алмазних
полікристалів типу АСБ-6 та АСПК.
Назва полікристалаШлях різання, мВисота площини зносу, ммАСБ-61200,63АСПК1200,35
Рис. 2.4. Ділянка зносу.
визначення їх фізико-механічних властивостей.
В основу дослідження термостабільності покладено залежність зносостійкості алмазного полікристалічного зразка від температури його попередньої термічної обробки. Для зменшення впливу окиснення і графітизації на абразивні властивості полікристалів, нагрівання зразків проводилося у вакуумі. Схему вакуумної печі показано на рис. 2.5, а зовнішній вигляд на