Frontier Materials & Technologies

В практике бурения нефтегазовых скважин алмазными долотами, вооруженными PDC-резцами, имеют место случаи несоответствия качества резцов заявленному классу. При этом применяемые в настоящее время методы натурных испытаний, когда в качестве контртела используют гранитный камень, являются длительными и дорогостоящими, что затрудняет их применение для оперативного входного контроля новых партий PDC-резцов, поступающих на сборку алмазных долот. Это обусловило необходимость разработки лабораторного триботехнического комплекса для количественной оценки способности PDC-резцов противостоять истиранию об абразивные материалы. Исследование посвящено разработке специализированного триботехнического комплекса, позволяющего проводить испытания на изнашивание PDC-резцов различных типоразмеров при трении об алмазосодержащий металлический забой, в качестве которого предложено использовать алмазные отрезные диски. В состав разработанного лабораторного триботехнического комплекса входят: электромеханический привод вращения (станок сверлильно-фрезерной группы); измерительный блок с датчиками нормальных нагрузок, силы трения и температуры саморазогрева резца при испытаниях; рычажный механизм нагружения; набор оправок для возможности установки PDC-резцов различных типоразмеров; система сбора данных и лицензионное программное обеспечение. Результаты апробации разработанного лабораторного триботехнического комплекса на PDC-резцах различных партий показали, что испытания на новом оборудовании позволяют достаточно быстро получать данные о скорости изнашивания рабочих кромок PDC-резцов. Разработанные методики, оборудование и критерии можно использовать для возможности сертификации износостойкости PDC-резцов.

Показана возможность применения в качестве токарного инструмента режущей керамики. Использованы сменные типовые режущие пластины, выполненные из режущей керамики марок ВОК-60 и ВОК-71. В работе на основе имитационного моделирования в программной среде deform обоснована и затем экспериментально подтверждена возможность высокоскоростной обработки указанной режущей керамикой. Дополнительно предложено нанесение упрочняющих покрытий методом конденсации с ионной бомбардировкой, что обеспечило повышение скорости резания до 100 м/мин и более с повышением периода стойкости режущей керамики с 3 до 3,8 раз. Проведены исследования максимальных напряжений в инструментальном материале и скорости деформации обрабатываемого материала. Для выбора рациональных решений при имитационном моделировании использовали параметры «температура в зоне резания», «напряжения в инструментальном материале», «износ инструмента», что характеризует сложно-напряженное состояние материала инструмента. Переход от этих параметров к прогнозному проектированию режущей керамики выполняли путем измерения силы резания при натуральном резании. Измеренные значения составляющих силы резания использовали для расчета напряжений в инструментальном материале. В результате выполненного исследования подтверждена гипотеза о том, что режущая керамика способна работать в условиях обработки вязких труднообрабатываемых коррозионностойких специализированных нержавеющих сталей типа марки 09Х17Н7Ю (EU 1.4568, X7CrNiAl17-7), имеющих высокое содержание хрома (16–17,5 %) и никеля (7–8 %). Предложены оригинальные технологические приемы повышения работоспособности режущей керамики за счет специальной термообработки и нанесения покрытий. В частности, термообработка в вакууме при температуре 1100–1400 °C в течение 20–40 мин повысила объемную прочность керамики, а дополнительная химико-термическая обработка путем ионного азотирования, выполненная на заключительном этапе термообработки, позволила легировать связку.

Магниевые сплавы систем Mg–Al и Mg–Zn имеют широкий эффективный интервал кристаллизации (ЭИК) и, как следствие, склонны к горячеломкости при литье. Существует несколько методик анализа и расчета горячеломкости магниевых сплавов, но они являются очень трудоемкими. В связи с этим цель исследования – разработать модель расчета показателя горячеломкости (ПГ) по величине расчетного эффективного интервала кристаллизации, установив и проанализировав их связь в двойных и многокомпонентных сплавах на основе систем Mg–Al и Mg–Zn. Расчет ЭИК проведен с использованием программы Thermo-Calc (база данных TTMG3). ЭИК рассчитывался как разница между температурой образования заданного количества твердых фаз и температурой неравновесного солидуса. Показана хорошая корреляция рассчитанных значений ЭИК с ПГ как в двойных, так и в многокомпонентных магниевых сплавах. В сплавах системы Mg–Al расчетные зависимости ЭИК при 90 % твердых фаз (ЭИК₉₀) показывают наилучшую корреляцию с экспериментальными значениями ПГ. В двойных сплавах системы Mg–Zn наблюдается качественно такая же зависимость. Однако четкой корреляции между ЭИК и ПГ не отмечено. Наиболее близкий характер демонстрируют зависимости ЭИК₆₅ и ЭИК₈₀. По связи ПГ и ЭИК рассмотренные многокомпонентные сплавы в первом приближении разделены на 2 группы: первая – сплавы системы Mg–Al–Zn, вторая – Mg–Zn–Zr и Mg–Nd–Zr. В пределах этих групп зависимость ПГ и ЭИК имеет близкий к линейному характер. Для описания зависимости всех сплавов можно применить одно уравнение при условии использования в расчетах ЭИК₆₅ для сплавов Mg–Al–Zn и ЭИК₉₀ для сплавов Mg–Zn–Zr и Mg–Nd–Zr. Предложенная модель позволит легко и быстро произвести расчет ПГ, что весьма актуально при разработке новых высокотехнологичных магниевых сплавов.

Работа посвящена исследованию влияния равноканального углового прессования (РКУП) на структуру, кристаллографическую текстуру, механические свойства и электропроводность меди марки М1 (иностранный аналог – Cu-ETP), а также зависимости этих характеристик от ориентации направления измерения относительно поперечного сечения (от −45 до 90°). Исследованы удельная электропроводность и прочностные характеристики материала в состоянии поставки (горячекатаного) и влияние отжига при температуре 450 °C исходного образца. Проведены механические испытания на одноосное растяжение, исследование микротвердости по методу Виккерса и исследование удельной электропроводности, основанное на измерении параметров вихревого поля, возбуждаемого в поверхностных слоях тела. Установлено, что обработка РКУП приводит к значительному увеличению предела прочности до 425 МПа по сравнению с исходным состоянием 300 МПа. Максимальный предел прочности 425 МПа достигается при углах ориентаций относительно поперечного сечения РКУП −45°. Существенный разброс в повышении микротвердости до значений 1364–1405 МПа, предела прочности до 350–425 МПа и электропроводности до 101,4–102,4 % IACS является следствием выбранных направлений вырезки образцов относительно оси РКУП. Это свидетельствует о зависимости не только механических, но и электрических свойств ультрамелкозернистых образцов от ориентации кристаллографической текстуры. Наиболее оптимальной кристаллографической ориентировкой обладает образец меди марки М1, подвергнутый РКУП с углом реза, отступающим от поперечного сечения РКУП образца на 7,5°. В данном случае значения микротвердости и электропроводности достигали 1405 МПа и 102,4 % IACS соответственно.