Потребность в твердых сплавах с улучшенными эксплуатационными характеристиками для различных областей применения, в частности для добычи полезных ископаемых, строительстве, в Российской Федерации (РФ) и в мире с каждым годом быстро растет. В соответствии с Государственной программой «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года» (Постановление правительства РФ от 21 апреля 2014 года № 366) добыча полезных ископаемых в Арктической зоне является приоритетной научно-технической задачей, решение которой позволит успешно реализовать программу и даст значительный экономический эффект. Износ и разрушение твердосплавных вставок в буровых коронках, дорожных и угольных резцах является основным фактором, определяющим эффективность работы инструмента. Твердосплавный инструмент работает в чрезвычайно жестких условиях при высоких ударных нагрузках, интенсивном абразивном изнашивании, что приводит к усталостному разрушению. Поэтому традиционные твёрдые сплавы при работе за пределами их возможностей быстро разрушаются и изнашиваются.

Для увеличения механических свойств твердых сплавов и эксплуатационных характеристик горного инструмента учеными кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий были разработаны новые иерархические крупнозернистые твердые сплавы. Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 — 2020 годы» по проекту «Разработка иерархических твердых сплавов с повышенной трещиностойкостью и износостойкостью на основе отечественных крупнозернистых порошков карбида вольфрама с особо однородной структурой и наномодифицированной связкой для нового поколения породоразрушающего инструмента, работающего в условиях Арктики», соглашение о предоставлении субсидии № 14.575.21.0156 от 26.09.2017.

Основное отличие данных сплавов от традиционных заключается в том, что за счет введения в состав сплава функциональных легирующих добавок и оптимизации режимов изготовления, в связующей фазе выделяются упрочняющие наночастицы пластинчатой формы с характерным размером 4-5 нм, что обеспечивает одновременное повышение трещиностойкости, прочности и износостойкости материала. Разработанный сплав имеет несколько структурных уровней, что позволило его отнести к классу иерархических композиционных материалов.

Промышленные испытания были проведены при содействии АО «Кировоградский завод твердых сплавов» на шахте Полысаевская (Кузбасс, Кемеровская область), разрабатываемой угледобывающей компанией АО «Сибирская угольная энергетическая компания». В ходе испытаний проходческим комбайном КП-21 (Рис. 1) на глубине 250 м было переработано более 700 м³ породы. Горные резцы, оснащенные иерархическими твердыми сплавами, продемонстрировали полное отсутствие сколов (Рис. 2) (сколы относятся к одному из самых опасных видов разрушения горных резцов, поскольку нарушают стационарность работы исполнительного органа проходческого комбайна Рис. 3), а их ресурс на 80-100% превзошел лучшие аналоги. Повышенные характеристики инструмента обусловлены уникальной иерархической структурой твердосплавных вставок.

Конечными потребителями инструмента из разработанных сплавов являются предприятия, специализирующиеся на шахтной/карьерной добыче горных пород различной прочности (каменный уголь, каменная соль, кимберлиты, апатиты и др.) в частности, АО «Сибирская угольная энергетическая компания», ПАО «Мечел», ОАО «Кузбассразрезуголь», ЗАО «Холдинговая компания «Сибирский деловой союз», ПАО АК «АЛРОСА», АО «Апатит», ОАО «Тыретский солерудник» и др. Внедрение разработки позволит значительно повысить эффективность добычи полезных ископаемых на месторождениях Арктического региона РФ.

Источник