×
02.09.2019
219.017.c65d

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА И СВЕРХТВЕРДЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ПЕНТАБОРИДА ВОЛЬФРАМА

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области синтеза новых материалов и может быть использовано в деятельности, связанной с добычей полезных ископаемых, с обрабатывающими производствами, с медицинской промышленностью, для элементов конструкций и механизмов, требующих высокой износостойкости поверхностей. Способ получения сверхтвердого материала на основе пентаборида вольфрама включает спекание порошка вольфрама и бора при повышенных температурах и давлениях. В качестве исходных материалов для синтеза используют вольфрам с размерами частиц 1-10 мкм, субмикронный бор с размерами частиц 0,1-0,5 мкм или соединение бора – М-карборан. Синтез осуществляют при давлениях 1,5-8 ГПа и температурах 1000-1500°С, при времени выдержки 1-10 минут, при этом количество вольфрама в смеси составляет 50-90 масс.%. Процесс спекания проводят в аппаратах типа Тороид или поршень-цилиндр. Обеспечивается получение нового сверхтвердого материала, сочетающего высокую твердость и термическую устойчивость с высокой вязкостью разрушения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 3 пр.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области синтеза новых материалов и может быть использовано в деятельности, связанной с:

- добычей полезной ископаемых, для резцов породоразрушающего инструмента (буровых долот) и других элементов конструкций и механизмов требующих высокой износостойкости поверхностей.

- обрабатывающими производствами (машиностроение и металлообработка): машины, орудия, инструменты (режущие, скалывающие, шлифовальные и т.д.), приборы, предметы потребления, продукция оборонного назначения, создание износостойких и сверхтвердых поверхностей (уплотнения, подшипники и др.) различными методами нанесения.

- медицинской промышленностью: режущие инструменты (скальпель, ножницы, долота).

Разработанный материал с улучшенными свойствами и более дешевой технологией производства позволяет обеспечить замену традиционных материалов (включая сверхтвердые материалы и твердые сплавы) применяемых для резания, дробления, скалывания, истирания, создания износостойких и сверхтвердых поверхностей различными методами нанесения.

В настоящее время резцы для породоразрушающего и режущего инструмента в основном изготавливают из двух типов сверхтвердых материалов: синтетического поликристаллического алмаза (PCD), поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN) или их комбинации (патент RU 2484888). Алмаз является наиболее прочным материалом (твердость по Виккерсу до 100 ГПа). Но, для синтеза алмаза и производства PCD требуются высокие давления и температуры, создаваемые в специальных аппаратах. Наиболее широко используемый в производстве диапазон давлений 5-6 ГПа, то есть десятки тысяч атмосфер, ограничивает размеры изделий и повышает их стоимость.

Подавляющее большинство патентов, в которых предлагаются варианты синтеза алмазных композитов, относятся к созданию рабочего слоя на основе алмазного микропорошка, который располагается на твердосплавной (WC-Co) основе (патент US 20160289078 А1). Такой ансамбль подвергается термобарической обработке в камере высокого давления. В рабочем слое конечного продукта частицы алмаза образуют каркас, в порах которого будет находиться связующая фаза на основе кобальта. Основным недостатком таких композитов является их термическая деструкция. При температурах выше 700°С в присутствии металлического связующего облегчается превращение алмаза в неалмазный углерод (образование карбидов металлов за счет алмаза), что приводит к разрушению композита в процессе работы.

Один из способов решения проблемы термодеструкции заключается в удалении металлической связки выщелачиванием кислотами или электрохимическими способами (патенты US 4224380, US 6544308). Эта процедура увеличивает термическую устойчивость композита, но может по-разному влиять на улучшение или ухудшение его свойств. Другой способ решения проблемы термодеструкции раскрыт в патенте US 5011514. Предлагается способ, при котором поверхность алмазного порошка сначала взаимодействует с карбидообразующим элементом, например вольфрамом, а затем поры между частицами алмаза заполняются эвтектическими композициями металла.

Термически устойчивыми являются композиты алмаза с карбидом кремния, которые получают инфильтрацией в алмазный слой жидкого кремния или спеканием гомогенной смеси порошков (патенты US 8168115, RU 2036779). Более поздние идеи использования интерметаллических соединений для обеспечения термостойкости в сочетании с высокой прочностью рассмотрены в патенте US 7473287 B2. В предлагаемом способе после срастания алмаза кобальт образует интерметаллид, который делает его инертным для активации обратного перехода алмаза в графит.

Рассмотренные методы получения PCD материалов для режущего и бурового инструмента показывают, что они имеют очень высокую стоимость из-за дорогого исходного сырья и обязательности синтеза в условиях давлений не ниже 5 ГПа. Основной недостаток PCD с кобальтом - низкая температурная устойчивость, а с кремнием - высокая хрупкость.

В патентах, описывающих способы получения керамик на основе боридов, основным методом является горячее прессование в графитовых пресс-формах (US 4292081, US 5571759, CN 106011586). Для части композиций предлагается использовать метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Например, в патенте RU 2622276 описан способ получения боридной керамики 90 мас. % (Ti0,9Cr0,1)B2 и 10 мас. % CrB. Но, при небольшой остаточной пористости около 1,5% твердость керамики по Виккерсу не превышает 26 ГПа, что существенно ниже условного порога сверхтвердости, которым принято считать 40 ГПа.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения тетраборида вольфрама со стехиометрией WB4 (патент CN 106116593), включающий следующие этапы: 1) порошок вольфрама и порошок бора смешивают;

2) смешанный порошок помещают в графитовую пресс-форму, нагревают в вакуумной печи до 1200-1600°С и выдерживают при этих температурах и давлениях 10-100 МПа в течение 30-180 минут.

В результате синтеза получают мягкий компакт, который измельчают для получения WB4 в виде порошка. То есть предложенный способ позволяет получить только порошковый тетраборид вольфрама, для которого необходимо разрабатывать способы консолидации, т.е. дополнительной высокотемпературной обработки при высоком давлении (1-2 ГПа) для получения сверхтвердого материала.

Технической проблемой является обеспечение замены традиционных сверхтвердых материалов для резцов породоразрушающего инструмента (буровых долот) с улучшенными свойствами.

Техническим результатом является получение нового сверхтвердого материала на основе предсказанного и синтезированного нами борида вольфрама WB5, сочетающего высокую твердость и термическую устойчивость с высокой вязкостью разрушения.

Этот материал может быть конкурентным в сравнении с композитами на основе алмаза или алмазоподобного нитрида бора, а также являться более качественной и доступной заменой твердого сплава на основе карбида вольфрама (WC).

Теоретические расчеты и исследования механических характеристик показали, что по твердости пентаборид вольфрама может быть отнесен к сверхтвердым материалам.

В качестве исходных компонентов для синтеза использовали порошковые смеси вольфрама с размерами частиц 1-10 мкм и с субмикронным бором 0.1-0.5 мкм или соединением бора (М-карборан) с общей формулой В10Н16С4О2, в молекуле которого два атома углерода занимают позиции бора в икосаэдре.

Процесс спекания смесей осуществляли при давлениях от 1.5-8 ГПа, и температурах 1000-1500°С при временах выдержки от 1 до 10 минут.

Спекание 1-10 мкм вольфрама с М-карбораном проводилось в аппаратах с камерой типа Тороид с диаметром центральной лунки 15 мм при давлениях до 8 ГПа. Камера типа Тороид представляет собой две соосные твердосплавные наковальни со специальным профилем, скрепленные стальными кольцами. Между наковальнями помещается и сжимается ячейка из литографского камня. Нагрев рабочего объема проводится пропусканием тока через графитовый нагреватель, находящийся внутри ячейки.

Процесс спекания 1-10 мкм вольфрама с М-карбораном также был проведен в аппаратах с камерой высокого давления поршень-цилиндр при давлении 1.5 ГПа. Технология спекания с использованием аппаратов с камерой типа поршень-цилиндр реализована на базе гидравлической установки для горячего прессования усилием 2000 Тс. Создание высокого давления производится нагружением одного подвижного и второго неподвижного поршней. Применение тепло- и электроизолирующей оболочки из прессованного кальцита создает надежное уплотнение и электроизоляцию подвижного поршня при ширине зазора до 0,5 мм.

В аппаратах с камерой Тороид и поршень-цилиндр также спекались смеси субмикронных и микронных порошков вольфрама и субмикронного бора.

Исходные смеси для спекания сверхтвердого материала на основе пентаборида вольфрама включают порошок вольфрама с размерами частиц 1-10 мкм, а также М-карборан (1,7- ди(оксиметил)-М-карборан) или субмикронный бор 0.1-0.5 мкм при следующем соотношении ингредиентов, масс%:

порошок вольфрама с размерами частиц 1-10 мкм 50-90 масс%
порошок бора или М-карборана 10-50 масс%

Прочные компакты из WB5 были получены при умеренных температурах реакционного спекания и без использования высоких давлений, которые необходимы для синтеза алмаза и кубического нитрида бора. Это значительно удешевляет материал, упрощает масштабирование и наработку рабочих элементов буровых долот для использования на некоторых операциях вместо PCD.

Полученные материалы на основе борида вольфрама WB5 характеризуются высокой дисперсностью структуры. Кристаллы пентаборида вольфрама имеют размеры менее 1 мкм и равносную форму, на Фиг 1 представлена микроструктура скола компакта из WB5.

Фазовый анализ полученных спеканием образцов показал, что при использовании М-карборана материал состоит из смеси боридов WB5 и WB2, причем количество WB2 составляет 20-30%. Получить компакты, не содержащие WB2, удается из смесей субмикронных порошков вольфрама и бора. На Фиг. 2 представлена дифрактограмма спеченных материалов, где 1 - спекание субмикронных порошков вольфрама и бора (1.5 ГПа, 1200°С, 10 мин), 2 - спекание микронного порошка вольфрама с М-карбораном (4.0 ГПа, 1300°С, 1.5 мин.).

Проведенные измерения твердости по методу Роквелла показали, что для твердого сплава марки ВК6 она составила 86-88 HRA, что соответствует стандартным образцам. Твердость материала (компакта) из пентаборида вольфрама составила 93-95 HRA. Если сравнивать средние площади отпечатков, полученных от вдавливания алмазного конуса, то у испытуемого образца она составила 0.91 мм2, а для твердого сплава - 1.52 мм2. То есть площадь отпечатка на компакте из пентаборида вольфрама почти в 1.7 раза меньше, что свидетельствует о его очень высокой твердости.

Пример 1

В качестве исходного материала для синтеза использован вольфрам с размерами частиц 1-10 мкм и М-карборан. Количество вольфрама в смеси 50 масс %, количество М-карборана - 50 масс %.

Спекание вольфрама с М-карбораном проводилось в камере типа Тороид при 7 ГПа и температуре 1500°С при времени выдержки 1.0 минута.

Кристаллиты борида вольфрама WB5 имеют размеры около 1 мкм и равноосную форму. В образцах присутствует около 20% борида WB2.

Твердость, определенная по методу Роквелла, составила 88-90 HRA, а площадь пятна износа - 1,45 мм2.

Термическая устойчивость материала гарантируется тем, что синтез ведется при температуре 1500°С, т.е. материал в инертной среде будет работать как минимум до такой температуры.

По степени износа синтезированный состав на основе WB5 имеют более низкую степень износа по сравнению с промышленным образцом на основе твердого сплава.

Пример 2

В качестве исходных материалов для синтеза использованы субмикронные порошки вольфрама и бора.

Количество вольфрама 1-10 мкм в смеси 70 масс %, количество субмикронного бора 0.1-0.5 мкм - 30 масс %

Спекание вольфрама с бором проводилось в камере поршень-цилиндр при давлении 1.5 ГПа, температуре 1200°С и времени выдержки - 10 минут.

Твердость определяли по методу Роквелла, износостойкость по площади пятна износа при точении абразива.

Твердость составила 93-95 HRA, площадь пятна износа - 0.91 мм

Высокая термическая устойчивость гарантируется отсутствием в материале компонентов с низкой температурой плавления.

Пример 3

В качестве исходных материалов для синтеза использованы субмикронные порошки вольфрама и бора.

Количество вольфрама 1-10 мкм мкм в смеси 90 масс %, количество субмикронного бора 0.1-0.5 мкм - 10 масс %

Спекание вольфрама с бором проводилось в камере Тороид при давлении 4.5 ГПа, температуре 1000°С и времени выдержки - 5 минут.

Фазовый состав образца после спекания 90% WB5 - 10% WB2

Теоретические расчеты показывают, что пентаборид вольфрама является сверхтвердым и сохраняет выдающиеся механические свойства до температур порядка 1700°С.

В таблице 1 приведены свойства образцов на основе пентаборида вольфрама

Полученные материалы на основе пентаборида вольфрама могут быть использованы для изготовления:

- инструментов, используемых в условиях, требующих высокой твердости и коррозионной стойкости, а также для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания с умеренными ударными нагрузками;

- различных резцов, абразивных и шлифовальных инструментов или материалов, сверл, фрез, долот для бурения и другого режущего инструмента;

- торцевых уплотнений валов механизмов, работающих в высокоабразивных или высоковязких средах.


СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА И СВЕРХТВЕРДЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ПЕНТАБОРИДА ВОЛЬФРАМА
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 43 items.
27.01.2013
№216.012.206f

Способ гидродинамических исследований нагнетательных скважин

Изобретение относится к нефтедобыче и может быть применено для проведения, интерпретации и анализа результатов промыслово-геофизических и гидродинамических исследований в нагнетательных скважинах. Способ включает проведение цикла закачки в нагнетательную скважину рабочей жидкости с постоянным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002473804
Дата охранного документа: 27.01.2013
27.02.2013
№216.012.2b86

Способ определения фильтрационных параметров пласта

Изобретение относится технологиям нефтедобычи, а именно к способам проведения, интерпретации и анализа результатов гидродинамических исследований эксплуатационных скважин, оборудованных электрическими центробежными насосами. Техническим результатом является повышение достоверности определения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002476669
Дата охранного документа: 27.02.2013
27.02.2013
№216.012.2b87

Способ определения фильтрационных свойств совместно работающих пластов (варианты)

Изобретение относится к технологиям нефтедобычи, а именно к способам мониторинга добычи и разработки совместно эксплуатируемых нефтяных пластов. Техническим результатом является повышение достоверности оценки индивидуальных фильтрационных свойств каждого из совместно эксплуатируемых нефтяных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002476670
Дата охранного документа: 27.02.2013
20.04.2013
№216.012.3751

Способ получения трехмерного распределения проницаемости пласта

Изобретение относится к технологиям нефтедобычи, а именно к способам гидродинамического моделирования. Техническим результатом является получение профилей по глубине достоверных значений проницаемости, пригодных для использования в гидродинамической модели. Способ включает определение на основе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479714
Дата охранного документа: 20.04.2013
20.05.2013
№216.012.413d

Способ определения относительных фазовых проницаемостей пласта

Изобретение относится к технологиям нефтедобычи, а именно к способам гидродинамического моделирования залежей и проектирования на их основе разработки месторождений. Задачей изобретения является повышение надежности и объективности воспроизведения ОФП путем обеспечения возможности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002482271
Дата охранного документа: 20.05.2013
20.08.2013
№216.012.60f2

Способ определения работающих интервалов и источников обводнения в горизонтальной нефтяной скважине

Изобретение относится к технологиям нефтедобычи, а именно к способам проведения, интерпретации и анализа результатов промыслово-геофизических исследований в горизонтальных скважинах. Технический результат направлен на повышение точности определения работающих интервалов и источников обводнения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002490450
Дата охранного документа: 20.08.2013
10.06.2014
№216.012.d0db

Способ эксплуатации скважины с помощью погружной электроцентробежной насосной установки

Изобретение относится к добыче жидкости из скважин с помощью погружных электроцентробежных насосных установок и может быть использовано при эксплуатации добывающих нефтяных скважин, преимущественно малодебитных и среднедебитных. Технический результат - обеспечение производительной и надежной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519238
Дата охранного документа: 10.06.2014
20.02.2015
№216.013.27e6

Способ определения работающих интервалов пласта в горизонтальных скважинах

Изобретение относится к нефтедобыче, а именно к технологиям промыслово-геофизических исследований добывающих эксплуатационных скважин. Технический результат направлен на повышение точности определения работающих интервалов пласта в горизонтальных скважинах. Способ заключается в одновременном...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002541671
Дата охранного документа: 20.02.2015
10.10.2015
№216.013.8245

Способ определения концентрации поверхностно-активных веществ анионного типа в технологических жидкостях

Изобретение относится к области анализа качества нефтепромысловых реагентов, в частности технологических жидкостей, содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ) анионного типа. Производят отбор проб и определяют пенообразующие характеристики методом кратности пены. При кратности пены не...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002564946
Дата охранного документа: 10.10.2015
27.08.2016
№216.015.5194

Способ поиска залежей углеводородов в нетрадиционных коллекторах баженовской свиты

Изобретение относится к области геолого-геофизических исследований и может быть использовано для обнаружения углеводородного сырья в нетрадиционных коллекторах баженовской свиты осадочного чехла, а также для оценки площади запасов нефти и газа, содержащихся в нетрадиционных коллекторах....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002596181
Дата охранного документа: 27.08.2016
Showing 1-10 of 18 items.
27.06.2013
№216.012.4fe7

Способ изготовления абразивных элементов

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении металлокерамических и алмазосодержащих элементов для различных инструментов, например буровых коронок, элементов для камнеобработки, резцов и других подобных изделий. Графитовые детали пресс-формы покрывают тонким...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002486048
Дата охранного документа: 27.06.2013
10.12.2013
№216.012.880a

Способ крепления алмазосодержащих и твердосплавных элементов к корпусу инструмента

Изобретение может быть использовано при производстве алмазосодержащих и твердосплавных инструментов, используемых в горном деле, а именно в буровой технике, в частности при изготовлении буровых коронок, алмазных долот, алмазных цилиндрических сверл. Вовнутрь корпуса инструмента цилиндрической...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002500508
Дата охранного документа: 10.12.2013
20.07.2014
№216.012.de90

Способ определения термостойкости изделий из сверхтвердой керамики на основе кубического нитрида бора

Использование: для определения термостойкости изделий из сверхтвердой керамики на основе кубического нитрида бора. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют термообработку испытуемых образцов в вакууме или в инертном газе с последующим анализом, при котором определяют степень...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522762
Дата охранного документа: 20.07.2014
27.08.2014
№216.012.f067

Способ получения керамики из оксида иттербия

Изобретение относится к области получения изделий из оксидной керамики и может быть использовано в медицинской и химической промышленности, в частности в качестве источников радиоактивного излучения при лечении раковых опухолей. Керамику из оксида иттербия получают путем формования заготовки из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002527362
Дата охранного документа: 27.08.2014
27.06.2015
№216.013.5a69

Способ повышения точности измерений расхода многофазной смеси в трубопроводе

Предложенное изобретение относится к процедуре контроля многофазных смесей при их транспортировке по трубопроводу, в процессе которого исключают процесс пробкообразования. Предложенный способ повышения точности измерений расхода многофазной смеси в трубопроводе заключается в том, что определяют...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002554686
Дата охранного документа: 27.06.2015
13.01.2017
№217.015.68ec

Способ ориентирования трещин гидравлического разрыва в подземном пласте, вскрытом горизонтальными стволами

Изобретение относится к горному делу и может быть применено при гидравлическом разрыве пласта. Для обеспечения контролируемого инициирования и распространения трещин гидроразрыва осуществляют закачку первой жидкости гидроразрыва в первый горизонтальный ствол, сообщающийся с пластом по меньшей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002591999
Дата охранного документа: 20.07.2016
25.08.2017
№217.015.a61d

Способ гидроразрыва подземного пласта

Изобретение относится к горному делу и может быть применено для гидроразрыва подземного пласта. Для создания в расклиненных трещинах стабилизированных каналов высокой проводимости в ствол скважины сначала закачивают первую гидроразрывную жидкость, не содержащую частиц проппанта, а затем вторую...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002608380
Дата охранного документа: 18.01.2017
26.08.2017
№217.015.e19e

Способ сортировки алмазосодержащего материала

Использование: для сортировки алмазосодержащего материала. Сущность изобретения заключается в том, что в качестве алмазосодержащего материала сортировке подвергают поликристаллические алмазы типа «карбонадо», при этом образцы поликристаллических алмазов со стороны, противоположной катализатору,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002625640
Дата охранного документа: 17.07.2017
29.12.2017
№217.015.fe1a

Способ предотвращения формирования пробкового режима течения газожидкостной смеси в непрямолинейной скважине или трубопроводе

Для предотвращения формирования пробкового режима течения газожидкостной смеси в непрямолинейной скважине или трубопроводе выявляют по меньшей мере одно место наиболее вероятного формирования жидких пробок в скважине или трубопроводе методом математического моделирования на основе ожидаемых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002638236
Дата охранного документа: 12.12.2017
09.06.2018
№218.016.5a3c

Способ гидроразрыва углеводородного пласта

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано для повышения производительности как вновь вводимых, так и действующих добывающих и нагнетательных скважин. Для осуществления гидроразрыва пласта в пробуренную в пласте скважину закачивают жидкость гидроразрыва...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002655513
Дата охранного документа: 28.05.2018
+ добавить свой РИД