КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 17-79-20384

НазваниеНовое поколение алмазосодержащих материалов с контролируемой гибридной и градиентной структурой

РуководительЛогинов Павел Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2022 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаРежущий инструмент, алмаз, композиционные материалы, функционально-градиентные материалы, иерархическая структура, гибридное наномодифицирование, наночастица, in-situ испытания, просвечивающая электронная микроскопия

Код ГРНТИ55.31.35

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Существующие в настоящее время типы алмазных абразивных инструментов, предназначенные для обработки железобетона и металлических конструкций, предполагают обязательное использование смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и особые, зачастую низкопроизводительные, режимы работы, при которых в зоне резания формируется и сохраняется большой объем шлама, способствующего поддержанию работы инструмента в режиме «самовскрытия». Однако резка или сверление бетона всухую имеет ряд преимуществ перед стандартной технологией резания с подачей воды, так как в «сухом» процессе нет необходимости в сборе и утилизации шлама в виде взвеси в воде продуктов истирания бетона. Он собирается промышленными пылесосами и конденсируется на стандартных фильтрах, тем самым значительно снижается опасность загрязнения окружающей среды. Такая обработка востребована при проведении работ по изготовлению технологических отверстий или проемов в железобетоне в ряде задач: на объектах, где присутствует химическое или радиационное загрязнение; внутри зданий, где закончены интерьерные работы; при изготовлении в зданиях вентилируемых фасадов. Технология изготовления алмазного инструмента для обработки неармированного бетона в отсутствии СОЖ хорошо отработана, и такой инструмент широко применяется при строительстве или демонтаже различных конструкций. Иная ситуация возникает при резке или сверлении армированного бетона, который является одним из самых распространенных строительных материалов. Алмазные сегменты при «сухом» контакте со стальной арматурой сразу теряют режущую способность из-за деградации алмазов в зоне контакта. Это объясняется рядом факторов. Во-первых, графитизацией алмазов из-за длительного взаимодействия с железом (металлом-катализатором перехода алмаза в графит), во-вторых, окислением и графитизацией алмазов в результате развивающихся при сухом резании высоких температур, в-третьих, заполировыванием рабочего слоя инструмента из-за отсутствия абразивного шлама. Для решения указанных проблем требуется разработка принципиально новых связок для алмазного инструмента, в которых износ реализуется по механизмам, отличающимся от наблюдаемых при использовании стандартных инструментов. В данном проекте планируется реализовать несколько подходов по созданию высокопроизводительного алмазного инструмента для «сухой» резки железобетона и комбинировать их с уже освоенными в ходе выполнения проекта гибридным наномодифицированием и in situ плакированием алмазов в процессе спекания или горячего прессования. Первый – модифицирование металлической связки гранулами твердых смазок, например, на основе графита. В условиях «сухого» резания, когда поверхность инструмента и обрабатываемого материала разогреваются до высоких температур, происходит схватывание, которое может стать причиной выхода из строя инструмента. Введение сухих смазок приводит к тому, что во время работы инструмента на трущихся поверхностях появляется тонкая пленка на основе компонента с низким коэффициентом трения, что позволит избежать адгезионного взаимодействия связки с обрабатываемым материалом. Вторым перспективным методом является введение микросфер различных соединений, термостабильных при стандартных условиях производства алмазного инструмента. Одним из перспективных материалов в этом направлении являются полые микросферы оксида алюминия Al2O3. Добавка полых микросфер будет приводить к изменению преобладающего механизма износа связки с истирания (микроцарапания) на вырывание микрообъемов материала, что крайне желательно в тех условиях, когда при резке образуется мало абразивного шлама. При выходе на поверхность полых микросфер в процессе износа рабочего слоя будут вскрываться микроскопические полости, являющиеся концентраторами напряжений. Циклические ударные воздействия на области, примыкающие к микросферам, будут приводить к скалыванию малых областей связки, отведению изношенного сверхтвердого материала и обнажению свежих алмазных зерен на поверхности рабочего слоя. Третий подход к созданию алмазного инструмента, работающего при отсутствии СОЖ, – модифицирование существующих медьсодержащих связок с целью увеличения механических свойств и износостойкости, а также повышения адгезионной активности по отношению к алмазным монокристаллам. Осуществление данного подхода возможно при легировании меди небольшими концентрациями карбидообразующих компонентов, прежде всего, титана и хрома, и использовании метода механического легирования (МЛ) в высокоэнергетических планетарных центробежных мельницах (ПЦМ) с целью получения нанокристаллического и гомогенного по структуре материала. Титан и хром при взаимодействии с алмазом образуют карбидные подслои на границе раздела с алмазом, которые способствуют его закреплению в связке. В случае титансодержащих медных связок большой интерес представляет применение в качестве легирующего компонента соединений титана, например, его гидрида TiH2. Такой способ введения титана в связку позволяет достичь более равномерного распределения и перспективен, благодаря возможности довосстановления окисных пленок на поверхности частиц порошковых смесей при спекании (так как при 650-700 °С TiH2 диссоциирует на металлический титан и газообразный водород), что позволит получить компактные образцы с меньшей пористостью и более высоким уровнем механических свойств. В ходе выполнения проекта будут разработаны многоуровневые компьютерные модели, которые позволят спрогнозировать поведение композиционного материала при наличии в его составе нескольких функциональных структурных составляющих различной геометрии и размера (упрочняющие наночастицы, графитовые гранулы, полые микросферы, алмазные монокристаллы). На основе результатов, полученных при моделировании, будет проведена оптимизация химического состава, определены предпочтительные концентрации и расположение модификаторов и будет описан характер износа при эксплуатации инструмента с разработанными связками. Это позволит существенно сократить объем экспериментальных исследований. Компьютерное моделирование будет проведено с помощью метода конечных элементов с использованием программного обеспечения ABAQUS. Кроме того, новизна проекта будет заключаться в исследовании адгезионной способности связок по отношению к различным граням монокристалла. Измерения силы адгезии будут проведены методом in-situ механических испытаний в колонне просвечивающего электронного микроскопа. Расчет значений силы адгезии будет осуществляться по прецизионной методике, разработанной в ходе выполнения предыдущих этапов проекта. Полученные данные позволят определять оптимальную геометрию алмазных порошков для их лучшего закрепления в связке.

Ожидаемые результаты
По данным ряда маркетинговых агентств (MegaResearch, Wise Guy Research Consultants Pvt. Ltd) объем рынка алмазного инструмента только в России составляет 7-10 млрд рублей и увеличивается каждый год на 5-7 %. Это обусловлено повышенным спросом на инструмент в оборонно-промышленном комплексе, энергетике и транспортном (железнодорожном) машиностроении в связи с реновацией и строительством новых инфраструктурных объектов. Большую долю российского рынка занимает импортный инструмент. И среди всех алмазных инструментов основная доля на рынке (более 90 %) приходится на алмазные режущие диски и кольцевые сверла с металлическими связками. В связи с этим разработка новых типов алмазного инструмента, выход на российский рынок и конкуренция с импортными аналогами имеет большую практическую и общественную значимость. В настоящее время в мире не существует алмазных режущих инструментов, способных обрабатывать железобетон в условиях «сухого» резания с высокой производительностью и стабильностью работы. Поэтому разработка новых связок в ходе выполнения данного проекта может повысить в том числе и экспортный потенциал отечественного инструмента. В ходе выполнения проекта впервые будут сформулированы научные принципы создания алмазного инструмента, предназначенного для «сухой» резки железобетона. Будет разработано несколько составов связок на основе различных описанных выше подходов и будут проведены сравнительные испытания инструмента, по результатам которых будет сделан вывод о наиболее подходящем способе модифицирования связок для адаптации к условиям «сухой» резки. Будут оптимизированы составы связок в системах Fe-Ni-Cu-(Co) и Cu-Ti-(Cr) таким образом, чтобы обеспечить высокий уровень механических свойств, износостойкости и адгезионной активности по отношению к алмазу. Будет разработана технология, позволяющая получить металломатричные композиты с комбинированным модифицированием: упрочняющими наночастицами, добавками, контролирующими износостойкость связки (графит, полые микросферы), и самоорганизующимися покрытиями WC на поверхности алмазных монокристаллов. Будут установлены оптимальные концентрации и гранулометрический состав добавок, контролирующих износостойкость связки (графит, полые микросферы), позволяющие реализовать режим износа, подходящий для условий «сухого» резания железобетона. По результатам модельных трибологических испытаний будет сделан вывод о влиянии добавок графита и полых микросфер на коэффициент трения и преобладающий механизм износа при трении о материалы со свойствами, близкими к свойствам компонентов железобетона. Впервые будет определено значение силы адгезии связки по отношению к различным граням алмазного монокристалла in situ TEM методами. Высокая точность полученных измерений будет обеспечиваться применением современного аналитического оборудования в сочетании с классическими аналитическими методами (анализ дифракций сходящегося пучка электронов).

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе выполнения проекта были разработаны новые составы металлических связок в системах Fe-Ni-Cu и Cu-Ti-Cr, перспективные для создания алмазного режущего инструмента, предназначенного для «сухой» резки железобетона. В работе была проведена оптимизация режимов смешивания металлических порошков в высокоэнергетических планетарных центробежных мельницах (ПЦМ) с целью получения смесей с различным масштабом гетерогенности структуры. При минимальной продолжительности обработки в ПЦМ смеси Fe-Ni-Cu представляли собой комбинацию слабодеформированных зерен исходных металлических порошков с однородным распределением. Интенсивная и продолжительная обработка в ПЦМ при водила к формированию на основе этих частиц крупных композиционных гранул с ламельной структурой. Толщина чередующихся слоев композитных частиц находилась в диапазоне от 1 до 10 мкм. Таким образом, в результате высокоэнергетической обработки масштаб гетерогенности структуры снизился как минимум на порядок. В механически легированных порошковых смесях легирующие компоненты – медь и никель – были полностью растворены в матрице на основе железа. Благодаря высокой химической однородности полученного твердого раствора, сильной дефектности и дисперсности структуры компактные образцы из механически легированных порошковых смесей обладали лучшим сочетанием механических свойств и износостойкости. Оптимизация химического состава связок была проведена в диапазонах концентраций никеля 15-45 % и меди 3-10 %. С увеличением содержания никеля при постоянном содержании меди 5% в сплавах Fe-Ni-Cu предел прочности при изгибе и твердость сплавов монотонно снижаются, что объясняется меньшей микротвердостью твердого раствора на основе Ni, чем твердого раствора на основе α-Fe. Аналогичная закономерность наблюдается при варьировании концентрации меди. Наиболее перспективным сплавом для создания связки для алмазного инструмента был сплав 50 % Fe – 45 % Ni – 5 % Cu, так как сочетал не только высокие твердость и прочностные характеристики, но и обладал высокой пластичностью. Построены компьютерные модели, в которых рассматривается поведение при деформации композиционных материалов с металлической матрицей, модифицированной добавками, контролирующими износ – полыми корундовыми микросферами (ПКМ). Установлено, что в отличие от наночастиц WC, hBN или углеродных нанотрубок, ПКМ не концентрируют напряжения на границе раздела со связкой. В связках, модифицированных ПКМ, концентрации напряжений возникают не на границе между частицей и матрицей, а на внутренней поверхности полых микросфер. В объеме матрицы вокруг армирующей частицы, напротив, происходит релаксация напряжений и формирование «разгруженных» областей. Модуль упругости сферы значительно выше модуля упругости связки, что позволяет сфере выдерживать высокие нагрузки и обеспечивать делокализацию напряжений в объеме связки вплоть до разрушения сферы. Это объясняет сохранение пластичности связок даже при введении высоких концентраций ПКМ (до 15 об. %). Исследование изломов образцов связок с ПКМ после испытаний на растяжение и изгиб показало наличие большого количества разрушенных микросфер. Трещина при деформации проходила сквозь ПКМ, а не по границе раздела с матрицей, что свидетельствует о лимитирующей роли микросфер при деформации связки. Введение ПКМ в связку на основе сплава Fe-Ni-Cu позволило уменьшить их износостойкость при трении о бетон в 2-3 раза. Сравнение изношенных поверхностей базовой связки Fe-Ni-Cu и связок, модифицированных ПКМ, показало отличия в механизмах износа. После трибологических испытаний значительная часть поверхности связки Fe-Ni-Cu была покрыта продуктами износа, образовавшимися при истирании бетона. Таким образом, на поверхности связки Fe-Ni-Cu был сформирован трибослой, препятствовавший контакту металла с обрабатываемым материалом и интенсивному абразивному износу. При анализе изношенной поверхности образцов с ПКМ установлено, что часть продуктов износа заполняла полости, образованные при вскрытии микросфер. Таким образом, увеличивалась площадь контакта связки с контртелом при трении, что приводило к повышенному износу. После трибологических испытаний связок с добавками графита повышения износа выявлено не было. В данном случае графит выполнял функции сухой смазки и обеспечивал снижение износа за счет уменьшения коэффициента трения в паре трения. Тем не менее, графит также является перспективной добавкой для связок, так как его износ происходит существенно быстрее, чем окружающей металлической матрицы, что также приводит к образованию раковин, которые могут заполняться продуктами износа. По результатам in situ механических испытаний в колонне просвечивающего электронного микроскопа с помощью устройств Push-to-pull было определено значение адгезионной прочности разработанной связки Fe-Ni-Cu к грани (100) алмазного монокристалла – 48 МПа. Исследован характер разрушения металлоалмазного образца – ламели, изготовленной методом фокусированного ионного пучка, – при приложении растягивающего напряжения. Разрыв образца происходит на стадии упругой деформации, по границе раздела «металл-алмаз», то есть имеет адгезионный характер. Значение адгезии к алмазу для исследованного образца было в несколько раз ниже, чем при использовании связки Fe-Co-Ni. Введение в связку меди, химически инертной по отношению к алмазу и уменьшение содержания железа, наиболее активно взаимодействующего с ним с образованием графита, приводит к ослаблению химической связи между матрицей и алмазом.

 

Публикации

1. Логинов П.А., Авдеенко Е.Н., Манакова О.С., Левашов Е.А. Разработка и исследование эксплуатационных характеристик алмазных отрезных сегментных дисков с инновационными связками на основе железа Eurasian Mining, - (год публикации - 2021)

2. Логинов П.А., Сидоренко Д.А., Орехов А.С., Левашов Е.А. A novel method for in situ TEM measurements of adhesion at the diamond–metal interface Scientific Reports, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1038/s41598-021-89536-2

3. Бычкова М.Я., Логинов П.А., Рупасов С.И., Левашов Е.А. Влияние добавок хрома на структуру, механические и трибологические свойства связок Fe–Co–Ni для алмазного режущего инструмента Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка. Сборник докладов 12-го Международного симпозиума, - (год публикации - 2021)

4. Логинов П.А., Сидоренко Д.А., Левашов Е.А. Исследование фазового состава, структуры и адгезии самоорганизующихся покрытий на алмазе в металлоалмазных композитах методом просвечивающей электронной микроскопии Сборник тезисов докладов 3-ей Всероссийской конференции «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов» МИССФМ-2020, - (год публикации - 2020)

5. Логинов П.А., Сидоренко Д.А., Орехов А.С., Левашов Е.А. Direct measurements of adhesion between diamond and metallic matrix using novel in situ TEM technique Сборник тезисов XXVIII Российской конференции по электронной микроскопии, XXVIII Российская Конференция по электронной микроскопии РКЭМ-2020 / Сборник тезисов. – с. 146-147. (год публикации - 2020) https://doi.org/10.37795/RCEM.2020.23.49.060

6. Логинов П.А., Сидоренко Д.А., Орехов А.С., Левашов Е.А. Новый метод прямого определения адгезионной прочности между алмазом и металлической матрицей в металло-алмазных композитах Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка. Сборник докладов 12-го Международного симпозиума, - (год публикации - 2021)

7. Манакова О.С., Логинов П.А., Рупасов С.И., Левашов Е.А. Получение металломатричных композитов с полыми корундовыми микросферами для применения в алмазном режущем инструменте Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка. Сборник докладов 12-го Международного симпозиума, - (год публикации - 2021)

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В отчетном периоде были получены следующие научные результаты. Исследовано влияние добавок графита на формирование самоорганизующихся защитных покрытий на алмазных зернах в процессе спекания с металлической связкой Fe-Ni-Cu. В отличие от исследованных ранее систем Cu-WC(нано), Fe-Ni-Mo-WC(нано) формирование защитного покрытия на основе WC/W2C/W на алмазе при аналогичных условиях спекания не обнаружено. Вероятной причиной этого является преимущественный перенос летучего оксида WO3 на поверхность гранул графита (Сграфит). Альтернативным объяснением может служить подавление реакции образования WO3 за счет того, что кислород преимущественно взаимодействует с графитом с образованием CO/СO2 и последующим отводом газов из порошкового брикета. Исследованы механические, теплофизические свойства, а также адгезионная прочность по отношению к алмазному монокристаллу медных связок, легированных карбидообразующими металлами (хром, титан). Определены режимы высокоэнергетической механической обработки (ВЭМО) в планетарных центробежных мельницах, позволяющие равномерно распределить компоненты в объеме порошковой смеси, несмотря на крайне ограниченную растворимость элементов в соответствующих системах. Установлено, что связки на основе системы Cu-Cr более перспективны для использования в алмазном инструменте благодаря высокой прочности (σизг 2330 МПа), теплопроводности (126 Вт/(м*К)) и способности к формированию при спекании сплошных и прочных промежуточных слоев на основе карбида Cr3C2 на границе раздела с алмазом. Было изготовлено несколько партий алмазосодержащих сегментов для алмазных кольцевых сверл со связками Fe-Ni-Cu, [Fe-Ni-Cu] + X%Cгр и [Fe-Ni-Cu] + X%ПКМ. Изготовление алмазосодержащих образцов осуществляли в условиях реального производства алмазного инструмента. Полученные по стандартной технологии изготовления экспериментальные образцы сегментов характеризовались равномерным распределением модифицирующих частиц, низкой пористостью и отсутствием трещин и других крупных дефектов. Исследовано влияние микровибраций и модифицирования связки добавками, контролирующими износ, на эксплуатационные характеристики инструмента при «сухом» резании. Установлено, что алмазный инструмент может работать с высокой производительностью только при соблюдении обоих условий: при приложении микровибраций и при наличии в составе связки графитовых гранул или полых корундовых микросфер. Исследования поверхности и внутренней структуры алмазных сегментов после испытаний позволило сделать вывод, что наиболее вероятным механизмом износа является разрушение микрообъемов связки при высокочастотных микроударах. Частицы графита и микросферы служат концентраторами напряжений при циклическом ударном воздействии и становятся местами зарождения трещин, которые распространяясь внутри сегмента, приводят к локальному выкрашиванию связки и выпадению изношенных алмазов. Было определено значение адгезионной прочности связки Fe-Ni-Cu по отношению к разным граням алмазного монокристалла. Установлено, что независимо от кристаллографической ориентации алмаза разрушение образцов с архитектурой «металл-алмаз» происходит на стадии упругой деформации и по межфазной границе. Значение адгезионной прочности связки Fe-Ni-Cu к грани (111) алмазного монокристалла составило 68,9 МПа, к грани (100) – 268,6 МПа. Отличия в адгезионной прочности объясняются разной степенью деградации алмазных граней при спекании с металлами-катализаторами перехода «алмаз-графит». Плоскости (111) алмазного монокристалла подвержены более интенсивной графитизации, что приводит к увеличению шероховатости поверхности и наличию на границе раздела графитового подслоя с низкой прочностью.

 

Публикации

1. Бычкова М.Я., Манакова О.С., Ахметов А.С., Кайсинов А., Авдеенко Е.Н., Логинов П.А., Воротыло С. Механические свойства и износостойкость металломатричных композитов на основе сплава Fe–Ni–Cu с полыми корундовыми микросферами Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, Vol. 16. - № 1. - C. 66-75 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-1-66-75

2. Логинов П.А., Авдеенко Е.Н., Зайцев А.А., Левашов Е.А. Structure and properties of powder alloys Fe–(45-15)%Ni–(10-5)%Cu, obtained via mechanical alloying CIS Iron and Steel Review, Vol. 22. – P. 82-87 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.17580/cisisr.2021.02.15

3. Логинов П.А., Зайцев А.А., Сидоренко Е.А., Левашов Е.А. Effect of self-assembling WC film upon diamond on adhesion strength with Fe-Co-Ni binder: In situ TEM tensile tests Scripta Materialia, Vol. 208. – № 114331. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114331

4. Логинов П.А., Марков Г.М., Рупасов С.И. Влияние добавок хрома на структуру, свойства и адгезию медной связки к алмазу Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, Vol. 16. - № 1. - С. 43-48 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-1-43-48

5. Логинов П.А., Сидоренко Д.А., Зайцев А.А., Левашов Е.А. Влияние самоорганизующихся покрытий WC на адгезию алмаза к металлической связке Fe-Co-Ni Современные материалы и передовые производственные технологии СМППТ-2021. Тезисы докладов международной научной конференции (21-23 сентября 2021). Санкт-Петербург: СПбПУ, С.163-164 (год публикации - 2021)

Возможность практического использования результатов
Экономичный и высокопроизводительный отечественный алмазный инструмент заменяет предприятиям строительного комплекса РФ импортный инструмент, сокращая тем самым валютные издержки российских производителей. Сочетание эффективных экономических и служебных показателей инструмента позволяет продвигать его экспорт в ближнее, а затем и в дальнее зарубежье. Инновационная продукция указанного типа может успешно конкурировать с инструментом аналогичного назначения из зарубежных стран, например, из Австрии (фирма «Tyrolit» ), из Германии (фирма «Cedima»), из Люксембурга (фирма «Hilti»), из Китая (фирма «Exin») и из республики Корея (фирма « Shinhan»), поставляемым на рынок стран Таможенного союза. Потребление отечественных металлических порошков в технологии новых связок потенциально может создать дополнительный сбыт для таких компаний, как «Синтез-ПКЖ», (производство железного порошка), «Норильский никель», НПО «Русредмет» (производство никелевого и кобальтового порошков), ОАО «Уралэлектромедь», ОАО «Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов» (производство медного порошка). Изготовление отечественного инструмента также предполагает использование отечественного стального проката для изготовления несущих корпусов, к которым крепятся алмазные сегменты. Такой прокат есть в ассортименте ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и Новолипецкого металлургического комбината.