Традиционно при бурении крепких, весьма крепких и абразивных горных пород рекомендуется применять вольфрамокобальтовый твердый сплав ВК15. Мониторинг информационных источников по вопросу возможностей повышения потенциала материала продемонстрировал наличие механизмов, обеспечивающих структурные превращения, провоцирующие повышение показателей прочности, твердости и ударной вязкости материала. Применение таких технологических приемов взамен традиционных приведет к повышению эффективности работы и срока эксплуатации инструмента. В ходе работы получены экспериментальные образцы сплава ВК15, спеченные по четырем разным модернизированным режимам. На полученных экспериментальных образцах проведен сравнительный анализ свойств. Результаты металлографического исследования, осуществляемого на микроскопе «Carl Zeiss», позволили оценить распределение зерен карбида вольфрама в кобальтовой связке и продемонстрировать измельчение карбидной фазы. Так, при традиционном спекании количество зерен карбида вольфрама средним размером менее 1 мкм в диаметре от всего размерного диапазона достигает 19,5 %, в то время как после дополнительной термической обработки с выдержкой 1280°С – 41,5 %; 900°С – 59,1 %; 600°С – 54,5 %. Максимальное из исследуемых экспериментальных образцов увеличение твердости на 18 %, коэрцитивной силы – на 49 %, трещиностойкости – на 11 % традиционного сплава достигнуто на режиме 900-1280 °С. Выдвинута гипотеза о формировании дополнительных структурных элементов, не выявляемых методами оптической металлографии. Исследования топологии и структуры образцов на атомно-силовом микроскопе подтвердили наличие наноразмерных включений от 20 до 40 нм, предположительно карбида вольфрама, в кобальтовой связке. Для ВК15 сравнительные исследования свойств и анализ микроструктуры экспериментальных образцов, полученных по традиционному режиму спекания и модернизированной технологии, показали, что режим спекания при 900 °С является приоритетным. Таким образом, разработанная технология, включающая спекание порошков в протоке водорода до 750 °С, с 750 до1450 °С в вакууме, подачу на максимальной температуре 1450 °С в течение 15 мин аргона под давлением 60 бар, последующее охлаждение до 900 °С и выдержку в течение часа, может быть рекомендована как наиболее рациональная для раскрытия потенциала материала и обеспечения повышенного уровня свойств бурового инструмента.
На основе литературного обзора выявлена проблема и обозначена актуальность разработки технологии введения добавок наноразмерных наполнителей в алюминиевые сплавы с целью определения механизма управления структурно зависимыми свойствами. В качестве такой добавки выбраны измельченные волокна оксида алюминия диаметром 10-20 нм. Введение добавки в расплав реализовано с помощью механического замешивания. Технологические особенности процесса позволили решить проблему преодоления сил поверхностного натяжения и распределения количественно малых и легких по сравнению с основным материалом добавок. Экспериментальные образцы получены в лабораторных условиях с использованием разработанных специальных приспособлений. Для выполнения сравнительного анализа были получены образцы базового сплава состава АК6 и наполненного дискретной добавкой 1 % сплава того же состава по идентичным режимам. Исследования структуры и свойств базового сплава и образцов, полученных путем замешивания в базовый сплав тонких дискретных волокон оксида алюминия в объеме 1 % проведены по стандартным методикам металлографического анализа и методом измерения твердости. В результате макро- и микроскопических исследований выявлен модифицирующий эффект от добавления тонкодисперсного Al 2 O 3 в алюминиевый сплав, выраженный в измельчении зерна. Полученная в результате обработки статистических данных форма кривых распределения твердости идентична для сравниваемых образцов и имеет выраженный смещенный экстремум, что свидетельствует о внесенных изменениях в свойства с одной стороны, и демонстрирует достаточный уровень усвоения расплавом добавки – с другой. Следовательно, целесообразность использования рассматриваемого метода модифицирования при получении материалов данной группы очевидна.
