Получение и свойства сверхтвердых материалов. Расчет алмазного инструмента для сверления

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 563 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра высокотемпературных процессов, материалов 
и алмазов 

А.И. Лаптев 
А.А. Ермолаев 
М.Ю. Беломытцев 

Получение и свойства 
сверхтвердых материалов 

Расчет алмазного инструмента для сверления 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института 

t 

Москва Издательство ´УЧЕБАª 2007 

УДК 669.018.45 
Л24 

Рецензент 
канд. техн. наук, А.Е. Кудряшов 

Лаптев А.И., Ермолаев А.А., Беломытцев М.Ю 
Л24 
Получение и свойства сверхтвердых материалов. Расчет алмазного инструмента для сверления: Учеб. пособие. – М.: МИСиС, 
2007. – 32 с. 

Рассмотрено понятие твердости материалов, описаны методы ее определения; представлены различные виды классификации и основные характеристики 
природных и искусственных строительных материалов и горных пород. Приведено описание и конструктивные особенности алмазного инструмента для 
сверления и бурового алмазного инструмента. Представлен один из видов расчета алмазного инструмента, включающий возможность вариации нескольких 
параметров. 

Соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины 
«Получение и свойства сверхтвердых материалов и изделий из них». 

Предназначено для студентов четвертого курса, обучающихся по специальности 200503 «Стандартизация и сертификация», а также по специальности 
150701 «Физико-химия процессов и материалов» 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (технологический 
университет) (МИСиС), 2007 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

1. Твердость материалов и методы ее определения 
5 

2. Характеристики природных и искусственных строительных 
материалов и горных пород 
10 

3. Алмазный инструмент для сверления 
20 

4. Алмазный буровой инструмент 
23 

5. Расчет алмазного инструмента для сверления или бурения 
27 

Библиографический список 
32 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Значение развития существующих процессов синтеза синтетических алмазов и других сверхтвердых материалов, а также создания 
принципиально новых способов их получения трудно переоценить, 
поскольку при решении актуальных задач наука и современная промышленность зачастую не могут обойтись без сверхтвердых материалов, обладающих уникальными физико-механическими свойствами. 

В настоящее время применение в горнодобывающей, строительной, обрабатывающей и других отраслях промышленности инструмента, изготовленного на основе искусственных алмазов и других 
сверхтвердых материалов, позволяет в десятки, а иногда и в сотни 
раз, увеличивать производительность труда, добиваться принципиально новых результатов в получении, изготовлении и обработке материалов. 

В результате работ коллективов Института физики высоких давлений (ИФВД РАН), Московского государственного университета 
(МГУ), Московского института стали и сплавов (МИСиС) и других 
удалось синтезировать высокопрочные и термостойкие поликристаллические алмазы, которые могут заменять крупные природные и 
синтетические монокристаллические алмазы. Разработаны методы 
получения инструмента на основе искусственных алмазов. 

Развитие производства требует постоянного совершенствования 
алмазного инструмента и разработки новых методов получения и 
типов 
инструмента 
из 
сверхтвердых 
материалов. Инженерисследователь должен знать основные принципы расчета алмазного 
инструмента. В настоящем учебном пособии предлагается один из 
такого рода расчетов. 

4 

1. ТВЕРДОСТЬ МАТЕРИАЛОВ 
И МЕТОДЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

Алмазные материалы находят широкое применение при обработке природного камня и других строительных материалов в стройиндустрии и при производстве буровых работ. В процессе таких работ 
разрушение обрабатываемого материала основано на отделении его 
частицы от массива при вдавливании режущего элемента. Элементарные процессы, последовательно происходящие при этом: 

1) упругое взаимодействие материала режущего инструмента и обрабатываемого объекта (это проявление взаимодействия обратимо: 
оно исчезает, если прекращается воздействие инструмента на породу); 

2) пластическая деформация более мягкого объекта в паре инструмент – объект воздействия (всегда объект воздействия должен 
быть намного более мягким, чем инструмент). Процессы пластической деформации минералообразующих пород имеют практическое 
значение лишь при сложных напряженных состояниях с преобладанием сжимающих напряжений; 

3) процессы разрушения (по определению – разрушение обрабатываемого материала разрушение же материала резца – крайне нежелательное явление). 

Рациональный выбор алмазного инструмента возможен при знании механических характеристик обрабатываемой породы. Такие 
характеристики получают при механических испытаниях: на растяжение и изгиб – для материалов с достаточным запасом пластичности (рис. 1.1а), сжатие и кручение – для материалов с ограниченным 
запасом пластичности (рис.1.1б). Твердые природные материалы, 
например горные породы, как правило, заметной пластичностью не 
обладают; их разрушение при стандартных испытаниях происходит 
сразу по окончании упругой стадии деформации (рис. 1.1в). Другой 
причиной, по которой применение общепринятых методов механических испытаний ограничено для горных пород, является разный 
характер воздействия инструмента (испытательного или режущего) 
на материал в процессе испытания либо резания и испытательной 
машины на тестируемый образец. Единственным методом механических испытаний, при котором воздействие испытательного инструмента на испытуемый материал по своему характеру максимально 
приближено к воздействию режущего инструмента на твердую породу, является испытание с определением характеристик твердости. 

5 

Рис. 1.1. Характерные диаграммы деформации растяжения 
пластичных (а), малопластичных (б) и хрупких (в) материалов 

Твердость зависит не только от свойств изучаемого материала, но 
также во многом определяется условиями измерения. В самом общем 
случае твердость является интегральным свойством, которое определяется многими механическими характеристиками изучаемого тела 
(пластичностью, пределом упругости, прочностью, сопротивлением 
разрушению и т.п.). Поэтому особое значение приобретает подбор 
таких условий измерения, в которых получаемые результаты будут 
одинаково зависеть от одних и тех же основных механических характеристик изучаемого материала. Этим определяется и сравнительно большое количество методов определения твердости. По характеру воздействия индентора (рабочего наконечника измерительного прибора, который взаимодействует с поверхностью испытуемого тела) на аттестуемый образец все способы измерения твердости 
можно разделить на три большие группы. Первая группа – это методы, в которых происходит (в значительной мере) упругое взаимодействие индентора и образца (твердость по Шору, Герцу, Ауэрбаху и 
др.). Вторая группа – это методы, в которых основная часть работы 
затрачивается на пластическую деформацию, а меньшая – на разрушение (твердость по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу). Третья группа 
методов – это методы, в которых основная часть работы расходуется 
на разрушение; затраты работы на пластическое деформирование 
материала образца имеют подчиненное значение (твердость Моосу, 
по Мартенсу, методы определения твердости царапанием). 

Наиболее старым методом измерения твердости является метод царапания. Этот метод был впервые применен еще Реомюром в 1722 г. 
Практически удобные и потому до сих пор применяемые в минералогии методы определения твердости пород и минералов царапанием 

6 

были предложены в 1813 г. петербургским проф. Паснером – с четырехбалльной шкалой, в 1811 г. немецким минералогом Моосом – с 
десятибалльной шкалой, Риджвеем с пятнадцатибалльной шкалой, в 
1953 г. проф. Л.А. Шрейнером – с двенадцатибалльной шкалой твердости и буримости горных пород. Во всех этих методах принята 
сравнительная оценка твердости испытуемых материалов с эталонными мерами твердости в виде заостренных наконечников (например, 
заостренные иглы из свинца, меди, мягкой стали, закаленной стали, ортоклаза, алмаза и др.). Балл твердости во всех этих методах является 
условной величиной. Для его определения образец царапают последовательно всеми минералами шкалы, начиная с самого мягкого. При 
этом определяют, какой из них первым оставляет видимую глазом царапину на подготовленной поверхности образца. Использование таких 
данных о твердости для технических расчетов малопригодно. 

Другой разновидностью методов определения твердости царапанием являются методы, в которых царапина наносится алмазным индентором (в виде конуса с углом при вершине 90º в методе Мартенса 
или алмазной четырехгранной пирамидой с углом при вершине 136º, 
направленной ребром вперед в методах Бирбаума и Григоровича) с 
заданной скоростью продольного (горизонтального) его перемещения и заданной вертикальной нагрузкой на индентор (в англоязычной 
литературе – испытание на «скрибирование»). При этом измеряется 
ширина канавки царапания и производится расчет твердости царапанием Нц = 4Р/b2 в единицах напряжения (МПа), где Р – нагрузка, Н; 
b – ширина царапины, м. 

Многие минералы, пластичные при вдавливании, дают при царапании хрупкое разрушение. Н.Н. Давиденков нашел, что твердость 
при царапании Нц, вычисленная как величина, обратная ширине царапины при нагрузке на алмаз 0,5 Н, наиболее тесно связана с сопротивлением разрушению при разрыве Sк (истинным напряжением при 
разрушении образца при испытании его на одноосное растяжение). 
Недостатком этого метода определения твердости является достаточно сложное оборудование, важное требование к которому – постоянство скорости перемещения индентора под нагрузкой, а главное 
– большое колебание ширины канавки по ее длине: ширина царапины зависит от испытуемой грани кристалла, кристаллографического 
направления царапания, качества подготовки поверхности и очень 
сильно меняется от образца к образцу. С той или иной степенью точности твердость, полученная при царапании, может быть сопостав
7 

лена (через переводной эмпирический коэффициент) с твердостью, 
полученной методом Виккерса или методом микротвердости. 

Методы измерения твердости царапанием наиболее близки к реальным условиям работы при обработке резанием, сверлением или 
бурением. Однако исторически и аппаратурно наибольшее распространение получили методы измерения твердости по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу, нормы проведения испытаний по которым сведены 
в соответствующие ГОСТы. Применение в приборах Роквелла и 
Виккерса алмазных наконечников позволяет измерять твердость любых (из числа известных в природе) материалов. Дополнительное 
приближение к реальным условиям резания в случае применения методов Роквелла и Виккерса обеспечивается тем, что при проникновении алмазного индентора в твердые, но непластичные образцы минералов в последних образуются трещины около получившегося отпечатка, и число их тем больше, чем выше была выбрана нагрузка при 
испытании (возрастает доля работы, затраченной на разрушение материала в процессе испытания). 

За меру твердости в методах Роквелла и Виккерса принимаются 
различные величины. В приборах Роквелла такой величиной является глубина погружения индентора в виде конуса в испытуемый материал. Эта характеристика измеряется индикатором часового типа, 
расположенным в самом приборе, с точностью (ценой деления) не не 
менее 1 мкм – это ограничение не позволяет измерять с большой точностью твердость выше 20 ГПа. В приборе Виккерса измеряется диагональ отпечатка, полеченного после укола пирамидки. Размер диагонали зависит от выбранной нагрузки, и при использовании максимальной (9800 Н) величина отпечатка для карбида бора твердостью ~ 
50 ГПа (половина от твердости алмаза) составит ~ 200 мкм. Твердость по этому методу рассчитывается по формуле: НV = 1,8544 · 
· P/d2 , где нагрузка Р измеряется в ньютонах, диаметр отпечатка 
d – в метрах, твердость HV – в гигапаскалях. Используемая в конструкции прибора оптическая увеличительная система (~ 100 кратная) 
позволяет надежно измерять такие величины. 

Разновидностью измерения твердости по Виккерсу является метод 
микротвердости, 
регламентированный 
соответствующим 
ГОСТом. В этом методе используется такая же четырехгранная алмазная пирамидка, но изготовленная по более высокому классу точности, чем в обычном приборе Виккерса, меньшие нагрузки (не более 4,9 Н) и увеличительная измерительная система большей оптической силы (увеличение до х600). Вместе с устройством измерения 

8 

диагонали отпечатка (цена деления которого 0,3 мкм) конструкция 
прибора обеспечивает получение на том же карбиде бора отпечаток с 
диагональю ~ 15 мкм и его надежное измерение. Все вышесказанное 
объясняет преимущественное применение метода микротвердости 
для определения способности твердых пород сопротивляться разрушению и отделению частиц породы от массива при вдавливании режущего сверхтвердого инструмента. 

В табл. 1.1 представлены данные по сравнительной твердости минералов, металлических материалов и сверхтвердых соединений, измеренных разными методами. 

Таблица 1.1 

Твердость различных материалов 

Вещество 

Тальк 

Каменная соль 
(галит) или 
гипс 
Кальцит (известковый шпат) 
Флюорит (плавиковый шпат) 
Азотированная 
отожженная 
быстрорежу-
щая сталь 
Апатит 
Альбит 
Ортоклаз 
Плавленый 
кварц 
Кварц кристаллический 
Закаленная 
азотированная 
быстрорежущая сталь 
Топаз 
Гранат 
Плавленый 
цирконий 
(окись) 
Алунд (корунд) 
Карбид титана 
TiC 
Бор 

Твердость по 

Моосу, 
баллы (из 10) 

1 

2 

3 

4 

– 

5 
6 
6 
– 

7 

– 

8 
– 
– 

9 
– 

– 

Твердость по 

Риджвею, 
баллы (из 15) 

1 

2 

3 

4 

– 

5 
6 
6 
7 

8 

– 

9 
10 
11 

12 
– 

– 

Микротвердость, 
ГПа 

0,024 (0,024…0,11) 

0,36 (0,36…0,90) 

1,09 (1,05…1,72) 

1,89 (1,64…2,60) 

(2,50…2,90) 

5,36 (5,36…6,90) 

– 

7,95 (7,14…8,50) 

– 

11,2 (10,0…14,6) 

(1150…1300) 

14,27 (14,27…18,0) 

– 
– 

20,6 (20,5…22,0) 

(28,5…32,0) 

(34…40) 

Микротвердость 

по Бирбауму, 

ГПа 

0,008…0,024 
(0,01) 

0,10…0,57 (0,11) 

1,26…1,35 (1,29) 

1,38…1,45 (1,43) 

– 

8,7…17,4 (5,17) 

– 

21,0…25,0 (9,75) 

– 

20,7…39,1 (27,0) 

– 

27,7…44,4 (34,2) 

– 
– 

39,1…82,6 (53,0) 

– 

– 

9 

Окончание табл. 1.1 

Вещество 

Карбид кремния SiC 
Карбид бора 
В4С 
Субкарбид 
бора В6,5С 
Алмаз 

Твердость по 

Моосу, 
баллы (из 10) 

– 

– 

– 

10 

Твердость по 

Риджвею, 
баллы (из 15) 

13 

14 

– 

15 

Микротвердость, 
ГПа 

(32) 

(45…49,5) 

(56…58) 

100 

Микротвердость 

по Бирбауму, 

ГПа 

– 

– 

– 

– 

Примечание. За величину твердости по Бирбауму принимается частное от деле
ния числа 104 на квадрат ширины царапины в (микрометрах) при нагрузке 
царапание производится углом сапфирового или алмазного куба. 

0,03 Н; 

2. Характеристики природных и искусственных 
строительных материалов и горных пород 

Наиболее полно изучены свойства горных пород, поэтому анализ 
характеристик алмазного камнеразрушающего инструмента проведем на примере обработки горных пород. Существуют различаются 
типы их классификации. По происхождению породы различаются на 
три группы: магматические, или изверженные (граниты, базальты и 
др.); осажденные (известняки, песчаники и др.); метаморфические 
(сланцы, мрамор, кварциты и др.). По технологической классификации горные породы делятся на три группы: твердые, средней твердости и мягкие. К твердым породам относятся кварцит, гранит, диорит, 
сиенит, габбро и лабрадорит, содержащие минералы повышенной 
твердости. В строительстве они используются для наиболее ответственных сооружений, так как обладают повышенной прочностью на 
сжатие (100…400 МПа) и погодоустойчивостью до 200–500 лет. К 
породам средней твердости относятся мрамора (70…150 МПа), вулканические туфы (8…20 МПа), известняки (5…60 МПа). Мягкие породы представлены гипсом и тальком (30…100 МПа), известняком и 
ракушечником (до 50 МПа). 

Производительность процессов обработки этих материалов зависит от сопротивления обрабатываемого материала внедрению в него 
индентора: чем глубже внедряется индентор в материал, тем быстрее 
идет процесс обработки. Глубина внедрения алмаза в первую очередь зависит от приложенной к нему внешней нагрузки, и ограничена механической прочностью самого алмаза. На рис. 2.1 представлена зависимость глубины внедрения алмазного индентора в форме 
четырехгранной пирамиды в испытуемый материал. Такой тип зави
10 

симости сохранится и при использовании алмазных зерен иной формы, что можно учесть введением так называемого коэффициента 
формы алмазного зерна (величина этого коэффициента изменяется 
от 1 до 1,5). 

Рис. 2.1. Зависимость глубины отпечатка 

при измерении микротвердости веществ с различной 

твердостью от приложенной нагрузки 

Физические и механические свойства горных пород определяются 
их минералогическим составом, строением и условиями залегания. 
Шкала твердости минералов, предложенная в работе [1], представлена в табл. 2.1. 

Табл. 2.1 

Шкала твердости по А.С. Поваренных 

Балл 
твердости 

1 
2 
3 

Эталонный 
минерал или 
искусственное 

соединение 

Тальк 
Гипс 
Кальцит 

Твердость 

микровдавли
вания, ГПа 

0,024...0,11 
0,36...0,90 
1,05...1,72 

Класс твердости по М.М. 

Хрущеву 

0,9...1,5 
2,3...3,1 
3,3...3,9 

Возможные заменители эталонов с 

примерно одинаковой твердостью 

Пирофиллит 
Галит, иодиднатрия 
Галенит, медь 

11