Фізико-технічні основи отримання та управління формуванням властивостей інструментальних полікристалічних надтвердих матеріалів з вюрцитного нітриду бора

Прокатка сприяє значному поліпшенню технологічних характеристик порошків BNв і забезпечує отримання гранул з високою щільністю.

П'ятий розділ включає опис результатів дослідження фазових та структурних перетворень в порошках вюрцитного нітриду бора в різному стані та за різних умов навантаження при високих тисках і температурах.

Фазове перетворення BNвBNг. Враховуючи негативний вплив вмісту BNг на механічні та експлуатаційні характеристики спечених полікристалів на основі BNв, досліджували характер та умови його утворення. Спікання полікристалів при р = 6,0 ГПа в інтервалі температур 770-1970 К зі швидкістю підвищення температури 350-400 град/с із гранульованих порошків BNв після обробки високими статичними тисками показало, що графітоподібний нітрид бору з'являється вже на початкових стадіях нагрівання і його кількість досягає максимуму на 5-7 с., після чого спостерігається різке падіння вмісту BNг . Кількість його залежить від температури і обумовлена величиною пористості порошкової заготовки перед нагріванням, а також наявністю в її мікрооб'ємах ділянок які суттєво відрізняються рівнем напруженого стану. Це явище підтверджується і електронно-мікроскопічними дослідженнями, які свідчать про те, що BNг з'являється на вільних поверхнях часток. Інколи перетворення можуть протікати повністю в окремій частинці, субструктура якої вказує на мартенситний механізм переходу BNвBNг.

Ущільнення зразків в процесі спікання обмежує можливість подальшого росту вмісту BNг, а графітоподібний нітрид бора, що вже утворився, розподіляється, в подальшому, головним чином, по границях зерен. Кристалографічно він орієнтований по відношенню до часток BNв паралельно його базисним площинам, що визначається текстурою укладки часток при наявності її нещільності. Можлива і інша орієнтація BNв в випадку, коли порушується текстура або має місце руйнування часток.

Фазовий перехід BNвBNг при спіканні в тих же умовах порошків BNв після деформаційної обробки їх прокаткою з мінімальним тиском в зоні деформації р = 1,4 ГПа протікає зовсім по іншому. Головною особливістю спечених ПНТМ є відсутність в їх складі BNг, що пов'язано вочевидь із практично повним ущільненням матеріалу перед спіканням. Вмісту BNг не було зафіксовано навіть в спечених полікристалічних зразках, які складались повністю із BNв.

Введення у вихідні порошки BNв наповнювача у вигляді твердих полікристалічних включень із спечених зерен гексаніту-А різного фазового складу, чи подрібненого композиційного керамічного матеріалу силініту-Р розміром, який на порядок перевищує розмір матричного матеріалу, також радикально впливає на процес перетворення BNвBNсф, подавлюючи утворення BNг. Цю особливість можна пояснити зміною умов ущільнення порошку BNв при навантаженні в присутності більш крупних твердих включень. Якщо при навантаженні часток вихідних порошків при ущільненні спостерігається їх подрібнення, то за наявності наповнювача має місце акомодація часток BNв з частками наповнювача, на що вказує різке послаблення текстури укладки у всьому об'ємові зразка. Наведена картина ущільнення BNв в суміші з наповнювачем забезпечує практично повне його ущільнення на самих ранніх стадіях спікання, внаслідок чого зворотній фазовий перехід BNвBNг практично відсутній.

Таким чином, ступінь фазового перетворення BNвBNг залежить від вихідної пористості заготовок із BNв перед прикладенням температури, стану мікроструктури порошку та температури спікання матеріалу. Наявність напружень зсуву в базисній площині BNв, які мають місце як при прокатці порошків, так і при введенні в них твердого наповнювача, забезпечує можливість отримання укладки часток з високою щільністю перед спіканням, перешкоджаючи виникненню BNг.

Фазові перетворення BNвBNсф. Для гетерофазного матеріалу на основі BNв важливо в якому співвідношенні в ньому представлені основні фази (BNв і BNсф), що визначає властивості ПНТМ. Вплив мікроструктури вихідних порошків BNв на фазовий перехід BNвBNсф вивчали на зразках, які спікали при тиску р = 5,5 ГПа та р = 7,7 ГПа в діапазоні температур Т = 1670-2270 К на протязі 25-150с.

Пластинчата форма часток BNв сприяє тому, що в процесі пресування і спікання таких порошків завжди має місце текстура укладки часток розвиненою базисною поверхнею перпендикулярно напрямку прикладеного навантаження. Електронні фрактограми зразків після 5 с спікання під тиском свідчать про незначну міцність міжчасткових контактів, підтвердженням чого є наявність фрагментів зруйнованих часток, а зеренна структура практично відсутня. Подальше спікання сприяє фрагментації часток та зерен, але при цьому спостерігається зміцнення міжчасткових контактів. По мірі збільшення протяжності спікання зростає кількість зерен BNв з чітко вираженою субструктурою з елементами розміром 100-200 , що співпадає з розмірами областей когерентного розсіювання BNв. Дифракційний контраст на границях елементів, служить підтвердженням блочності. Виникнення субструктури BNв пов'язано з початком його перетворення в сфалеритну модифікацію.

Дослідження кінетики і особливостей перетворення BNвBNсф, при гарячому пресуванні в умовах високих тисків порошків BNв попередньо деформованих ВСТ та прокаткою свідчать про значну їх відмінність. Спостерігається значне зміщення в бік зниження температурного порогу фазового переходу BNвBNсф для порошків, підданих деформаційній обробці з напруженнями зсуву . Якщо в порошках попередньо деформованих ВСТ при Т=1873 К за 100 с ступінь перетворення BNвBNсф складає 50% (крива 3), то в порошках BNв після прокатки за тих же умов повністю перетворюється в сфалеритну модифікацію. Таким чином, попередня деформаційна обробка порошків BNв прокаткою, що супроводжується напруженнями зсуву, сприяє їх активації і приводить до зниження на 100-200 градусів початкової температури фазового перетворення “вюрцит - сфалерит” при спіканні в умовах високих тисків.

Вивчення природи впливу попередньої обробки порошків BNв прокаткою на активацію переходу BNвBNсф при спіканні в умовах термодинамічної стабільності сфалеритного нітриду бора здійснювали шляхом дослідження структурних перетворень в порошках з різним станом вихідної мікроструктури. Схема послідовності перебудови морфології і субструктури одиничної частинки BNв як результат розвитку пластичної деформації і фазового перетворення, аж до її переходу в систему дисперсних зерен сфалеритної фази

При термобаричній обробці трансляційні зсуви в BNв проходять в базисній площині за допомогою часткових дислокацій Шоклі з вектором Бюргерса типу а/3 . Ця деформація обумовлює формування ДП в базисних шарах часток, а також фазове перетворення “вюрцит - сфалерит”, яке є деформаційним. Воно здійснюється шляхом пошарової перебудови за рахунок генерування базисних ДП і реалізується з орієнтаційним співвідношенням: (111)сф (0001)в, 110сф в. Його розвиток завжди супроводжується виникненням на основі BNв багатошарових політипів як проміжних структур. Фаза BNсф, що виникає, є здвійникованою: площина двійникування (111)сф паралельна площині (0001) вюрцитної фази. Ці особливості перетворення сприяють формуванню гетерофазного стану в частках, що характеризуються мікропластинчатою мікроструктурою (рис. 8, б-г). Останнє пояснюється наявністю в шарах (0001) кристалографічно обумовлених міжфазних і двійникових границь.

На стадії ротаційної деформації часток та появи в їх об'ємі границь, які сприяють розорієнтації площин ковзання (0001) в фрагментах, що стикуються (рис.8, в), процеси трансляційного ковзання і, як наслідок, фазового перетворення протікають автономно в кожному фрагменті. По мірі розвитку фазового переходу щільність двійників в сфалеритній фазі зменшується і в монофазних (BNсф) фрагментах є тільки одиничні двійники (рис.8, д). Відповідно підвищенню температури спікання збільшується кількість одноорієнтованих зерен BNсф в зразках.

Первинна рекристалізація в частках проходить вже на стадії незавершеного фазового переходу BNвBNсф (в системі фрагментованих гетерофазних часток). Вона здійснюється за рахунок виникнення зародків росту нових зерен двома механізмами: за допомогою зернограничних виступів, які з'являються на розвинених поверхнях часток (рис. 8, г) та монофазних (BNсф) фрагментів з рухливими висококутовими границями, які формуються в результаті ротаційної деформації і фазового перетворення (рис. 8, д). Первинна рекристалізація супроводжується виникненням пор в об'ємах нових дисперсних зерен, що з'являються. Тільки на стадії рекристалізації в полікристалічних зразках виникають рухливі висококутові границі як в об'ємі часток (рис. 8, е), так і між ними - між зернами, які утворюються на основі фрагментів різних часток. По мірі фазового перетворення збільшується доля границь міжзеренного типу на ділянках, які повністю складаються із BNсф. При міграції границь спряження (BNсф - гетерофазне зерно) в бік гетерофазних зерен повинно здійснюватись дифузійне фазове перетворення “вюрцит - сфалерит”, однак, в даному випадку доля таких границь незначна. Це вказує на те, що основна доля сфалеритної фази утворюється в результаті зсувного пошарового перетворення і роль дифузійного механізму в цьому процесі незначна.

Таким чином, при спіканні полікристалічних матеріалів із BNв подрібнення часток здійснюється в два етапи: механічним руйнуванням відколом і пластичною фрагментацією, обумовленою виникненням границь розорієнтації в частках. На основі фрагментів формуються центри первинної рекристалізації і, в цілому, гетерофазні і монофазні зерна. Це являється свідченням того, що на масштаб кінцевої зеренної структури в зразках радикально впливають два фактори: розорієнтована субструктура часток і ії наступна перебудова в процесі спікання.

При формуванні мікроструктури ПНТМ із порошків BNв в різному вихідному стані можна виділити такі відмінності. Насамперед на початковому етапі спікання часток BNв в зразках вони відрізняються способом укладки і характером контактів між ними. Мікроструктури в повздовжніх перерізах зразків, що були сформовані при Т=1270 К. В зразках на основі вихідного порошку чітко прослідковується морфологічна текстура, яка також має місце в межах окремих одиничних агрегатів для порошків, попередньо підданих дії ВСТ, причому, частки в таких агрегатах сильно вигнуті. Морфологічна текстура в таких зразках зберігається до початку стадії рекристалізації включно. Хаотична укладка часток характерна тільки для зразків на основі прокатаного порошку.

Вихідні одиничні частки в зразках, отриманих за одних і тих же умов, відрізняються структурним станом. На першому етапі спікання, коли має місце пластична деформація ковзанням в (0001), вони характеризуються різною концентрацією базисних ДП, а також відрізняються розмірами та ступнем фрагментації (табл. 3).

Таблиця 3

Вплив температури спікання на зміну розміру зерен в зразках на основі порошків BNв в різному вихідному стані (р = 7,7 ГПа)

Тип вихідного порошку BNв	Розмір зерен (мкм) при температурі спікання (єС)
	1200	1400	1600	1700	1800
У стані поставки	2,3	1,8	1,2	0,8	0,8
Після обробки ВСТ , p =7,7 ГПа	1,7	1,7	1,3	0,7	0,5
Після 3-кратної прокатки	1,2	0,8	0,5	0,1	0,3

На стадії фазового перетворення BNвBNсф зразки відрізняються загальним вмістом BNсф і його кількістю в здвійникованому і одноорієнтованому стані.

Проведені електронномікроскопічні дослідження показали, що в зразках на основі прокатаного BNв вже при Т = 1470 К спостерігається найбільша щільність ДП, при цьому частки являються сильно фрагментованими так як в вихідному стані вони деформовані за рахунок поворотів областей відповідно вісей, що лежать в базисній площині. Крім того, в них присутній BNсф у вигляді двійників. При більш високих температурах спікання в одиночних частках і в зразках в цілому вміст BNсф більший, в тому числі і в рекристалізованому стані. Вже при Т=1970 К в BNсф в зразках знаходиться в основному в рекристалізованому стані (рис. 10, а, б). В усьому інтервалі температур для зразків на основі прокатаного BNв характерними є найменший середній розмір зерен і гомогенна зеренна структура по об'єму (рис. 10,г), в той час як в зразках на основі вихідного BNв і обробленого ВСТ включно до температури Т = 2170 К, присутні масивні гетерофазні зерна, які зберегли вихідну пластинчату форму.

Вища ступінь перетворень в зразках на основі прокатаного BNв обумовлена дією факторів, які впливають на процес базисного ковзання в частках, розвиток якого і визначає фазове перетворення. Враховуючи анізотропність кристалічної гратки типу вюрциту можна припустити, що одним з основних факторів являється орієнтаційний, який визначає залежність напруженого стану в частках від орієнтації їх розвинених поверхонь відносно вісі стискування в АВТ, а також структурний стан часток (розмір в розвиненій поверхні, ступінь фрагментації).

Рушійною силою перетворення BNвBNсф в умовах високих тисків і температур є дві складові: хімічна, обумовлена різницею вільних енергій вихідної і кінцевої фаз, і “нехімічна”, що обумовлена напруженнями зсуву, які виникають під дією зовнішніх навантажень в базисних площинах часток. Величина нехімічної складової для прокатаних порошків значно відрізняється від вихідних та оброблених високими тисками і залежить від: а) орієнтації площини (0001) частинки в полікристалічному зразку по відношенню до напрямку навантаження стиску; б) розміру частинки в площині (0001); в) розміру і ступеня розорієнтації фрагментів в частинці. Важливо також, що середній розмір часток в базисній площині після прокатки найменший в порівнянні з вихідними розмірами часток та після обробки ВСТ.

Це, означає, що ефективна довжина ковзання в базисній площині таких часток менша ніж в частках порошків іншого типу. У відповідності до залежності =d, для забезпечення однакового ступеню деформації () в таких частках потрібна більша щільність рухливих дислокацій (), звідки витікає, що навіть при одному розмірі розорієнтованих фрагментів зі зменшенням розміру часток ступінь їх деформації за одних і тих же умов навантаження буде зростати.

Введення у вихідні порошки BNв часток твердого наповнювача також впливає на процес фазового перетворення BNвBNсф, змінюючи його характер за рахунок зменшення ступеню подрібнення при навантаженні і, навпаки, збільшення товщини часток в результаті їх припікання базисними площинами. Процес переходу BNвBNсф в основному об'ємі матеріалу матриці протікає кристалоорієнтовано шляхом утворення багатошарових політипів, як проміжної структури, без повного одномірного розупорядкування структури BNв, як у випадку спікання порошків у чистому вигляді. Кінцева структура матеріалу складається з суміші дефектних зерен, в яких частково або повністю пройшло фазове перетворення BNвBNсф по кристалоорієнтованому механізму, і більш досконалих зерен BNсф що утворились, при рекристалізації. Таким чином, введення наповнювача в порошки BNв приводить до зміни механізму фазового перетворення BNвBNсф і, як наслідок, зміни структурного стану і властивостей матеріалу в порівнянні з матеріалом на основі BNв без домішок.

Присутність в порошках BNв домішок нітриду кремнію Si3N4 не впливає на процес фазових перетворень, але змінює процес формування структури і деяких механічних властивостей полікристалічного матеріалу. Спостерігається підвищення на 20-25% міцності на стискання спечених порошків із вюрцитного BN, які вміщують 10 мас.% Si3N4, що обумовлено взаємодією BN із Si3N4 в процесі спікання і утворенням твердого розчину Si в гратці BNсф. Підставою для цього є дані рентгенографічних досліджень лінії 331 BNсф. Спостерігається зміщення рефлексу 331 в бік малих кутів відбиття. Параметр гратки BNсф збільшується від 3,615710-10м до 3,616710-10м, що свідчить про утворення твердого розчину заміщення Si в гратці BNсф, яке підтверджується також зміною форми лінії 331: профіль лінії із вузького з хорошим розщепленням 1-2-дублета перетворюється в розмитий, із малопомітним розщепленням 1-2-дублета (інтегральна напівширина компоненти 1 лінії 331 збільшується від 0,43 до 0,58град).

Розчинений Si впливає на ріст зерна в композиційному матеріалі BN-Si3N4. Аналіз К1-компоненти лінії 331 BNсф, виділеної із дублета по методу Речінгера, а також дані електронних мікрофрактограм, отриманих за допомогою реплік, дозволили оцінити вплив концентрації Si на структурний стан композиту, результати якого приведені в табл.4.

Наведені значення L композиту різного складу показують, що підвищення концентрації Si3N4 в матеріалі сприяє росту зерен сфалеритної фази BN, що вказує на зв'язок процесів розчинення Si3N4 в BNсф і збиральної рекристалізації сфалеритної фази. Даний ефект пояснюється існуванням концентраційних

Таблиця 4

Результати рентгенографічного і електронно-фрактографічного аналізу матриці композиту BN- Si3N4

Вміст Si3N4, мас.%	В, град	а, нм	L, мкм
-	0,50	0,36163	0,5
2	0,55	0,36165	0,7
5	0,60	0,36167	1,3
25	0,80	0,36174	1,5

неоднорідностей твердого розчину і зв'язаних з ними напружень гратки, що підтверджується рентгенографічно розширенням ліній. Утворення однорідного твердого розчину заміщення не приводить до розмиття дифракційних ліній, а викликає лише їх зміщення.

В шостому розділі розглянуто особливості отримання різних ПНТМ з вюрцитного нітриду бора на основі результатів досліджень виконаних в роботі.

Запропоновано технологію підготовки гранульованих порошків BNв до спікання, яка основана на використанні багаторазової їх прокатки (технологічна інструкція №037.25200.09066). Технологія впроваджена на Полтавському алмазному заводі при виробництві полікристалів типу гексаніту-Р та абразивних порошків гексаніту-А.

Для визначення ефективності застосування попередньої деформаційної обробки вихідних порошків BNв прокаткою перед спіканням ПНТМ для ріжучих пластин, виконано дослідження полікристалів виготовлених із однієї партії вихідних порошків BNв, але попередньо гранульованих після деформування ВСТ і прокаткою. Характеристики полікристалів спечених із таких порошків BNв в ідентичних умовах приведено в табл.5.

Таблиця 5

Характеристики полікристалів на основі BNв, виготовлених з використанням різних методів попередньої деформаційної обробки вихідних порошків BNв

Спосіб поперед. обробки	Фазовий склад, %	, г/см3	Швидкість УЗ хвилі, м/с	Е, ГПа	G, ГПа	В, ГПа
	BNсф	BNв		Vl	Vt
ВСТ	29	71	3,4112	14989	9836	753,32	329,71	349,42	0,140
3-и кратна прокатка	62	38	3,4334	15890	10203	823,03	362,28	391,20	0,147

ПНТМ, отримані спіканням порошків BNв, попередньо деформованих прокаткою, відзначаються вищою однорідністю, мають кращі характеристики і вищу зносостійкість при переривчастому різанні сталі ХВГ, загартованої до твердості HRC 60-62 .

Для отримання абразивних порошків типу гексаніту-А з підвищеною міцністю в технології застосовано легування вихідних порошків BNв 6 мас.% Si3N4 з розміром часток 1-5 мкм, з яких потім спікали порошки за стандартною технологією. Міцність порошків при статичному стисканні на 20-25% перевищує показники міцності порошків гексаніту-А марки СГА (ТУ 2-037-250-84).

Для підвищення зносостійкості ПНТМ на основі BNв у вихідні порошки вводили складову з високим рівнем показника зносостійкості - полікристалічні порошки керамічного матеріалу силініту-Р (його основою є Si3N4), після чого суміш спікали при параметрах, що відповідають області термодинамічної стабільності BNсф. Отриманий композиційний матеріал складався з твердої високодисперсної цементуючої матриці із BNв, яка збереглась після спікання і утворила безперервний каркас навколо зерен BNсф і зерен керамічного матеріалу на основі Si3N4. Внаслідок високої дисперсності зеренної структури вюрцитної фази і сфалеритної складової, в який не здійснилась збиральна рекристалізація, матеріал мав високі значення в'язкості руйнування. За даними електронно-мікроскопічного аналізу матрична складова із BNв мала розмір зерен менше 0,1 мкм, сфалеритна фаза - 0,1-0,3 мкм, а керамічна складова на основі Si3N4 - 0,3-1,0 мкм. Транскристалітний характер руйнування композиту свідчить про міцний зв'язок границі між зернами щільних модифікацій BN.

Виконано дослідження по розробці технології отримання ріжучих пластин із ПНТМ на основі BNв на підкладці з твердих сплавів на основі WC і TiC. Для забезпечення надійного зв'язку твердосплавної підкладки з ріжучим шаром із ПНТМ запропоновано склад проміжного шару, що містить суміш порошків гексаніту-А розміром до 60 мкм і твердого сплаву в певній пропорції.

Вивчення фізико-механічних характеристик ПНТМ різного фазового складу виготовлених із порошків BNв попередньо деформованих прокаткою показали, що найкращі властивості мають матеріали з приблизно рівним вмістом BNв і BNсф. Твердість полікристалів розміром до 14 мм визначена методом індентування при навантаженні 5Н в площині співпадаючій з віссю їх симетрії в усіх напрямках (по висоті і від центра до периферії) практично не відрізняється, що свідчить про однорідність зразків. Вона складає HV = 70,0-72,0 ГПа, а тріщиностійкість визначена при навантаженні 50Н - 17,8 МПам1/2.

Сьомий розділ присвячено вивченню особливостей роботи та експлуатаційних характеристик інструменту із ПНТМ на основі BNв і ефективних областей його застосування.

Проведено комплекс досліджень ріжучих властивостей полікристалів на основі BNв при обробці загартованих сталей твердістю до HRC 60-62 в режимі безперервного та переривчастого точіння, а також порівняльні стійкісні випробування з вітчизняними та зарубіжними ПНТМ (амборит, суміборон, киборит), які показали більш високий ресурс роботи інструменту із ПНТМ на основі BNв. Порівняльні випробування ріжучих цільних і двошарових пластин із ПНТМ на основі BNв при перервчастому точінні сталі ХВГ твердістю HRCе 56-62 в діапазоні подач 0,05-0,25 мм/об, показали, що для цільних пластин найвища стійкість спостерігається при подачі 0,1 мм/об, а у двошарових - 0,125-0,15мм/об. Таким чином, стійкість двошарових пластин помітно вища.

Характер зношування ПНТМ на основі BNв має характер відмінний від інших надтвердих матеріалів із нітриду бора. Дослідження механізму зносу двошарових пластин типу гексаніту-Р при обробці загартованих хромистих сталей за розробленими нами методиками показали, що зношування має комплексний характер: абразивний знос “самозношування”, здійснювалося зернами ПНТМ, які були вирвані з матеріалу за рахунок адгезійного схоплювання і, частково, механічного фактора; адгезійний знос, обумовлений взаємодією поверхневих шарів сталі та інструментального матеріалу, який визначався по кількості налипання оброблюваного металу на передній і задніх гранях різця, та дифузійне зношування.

Приведено дані про порівняльні випробування пластин із ПНТМ на основі BNв діаметром 12,7 мм та аналогічних пластин із композиту фірми “BONAR” при обробці деталей гірничо-збагачувального устаткування із сталі 110Г13Л, які показали перевагу перед аналогом по стійкості в 2-3 рази.

Ріжучий інструмент на основі розроблених ПНТМ дозволяє значно розширити області застосування, наприклад, обробляти великогабаритні деталі металургійного, хімічного, гірничо-збагачувального устаткування із високомарганцевистих сталей (ЗАТ “КЗГО”, ВАТ “Регом” м. Кривий Ріг), зносостійких модифікованих чавунів, широкого класу загартованих сталей, підвищити продуктивність обробки в 3-5 разів, а також дає можливість обробляти матеріали при наявності високих ударних навантажень зі значною величиною зйому метала. Економічний ефект від застосування при обробці броні дробильного обладнання складає 136 тис. грн. на рік.

Шліфувальний інструмент із абразивних порошків на основі розроблених ПНТМ високоефективний як для глибинного шліфування, так і на заточних операціях інструментальних сталей, що підтверджується широкими його промисловими випробуваннями на цілому ряді підприємств (АвтоВАЗ, ЗІЛ, БелавтоМАЗ, КСБО, ХІЗ та інші). Стійкість ріжучого інструменту із сталі Р6М5 заточеного абразивними кругами із ПНТМ на основі BNв підвищується в 1,25-5 разів.

ВИСНОВКИ

В результаті виконання досліджень закономірностей фазових і структурних перетворень у вюрцитному нітриді бора при холодному деформуванні з наявністю напружень зсуву і при наступному гарячому пресуванні в умовах високих тисків без чи в присутності добавок, істотно доповнені фундаментальні знання природи фазових перетворень BNв та вирішено науково-практичну проблему одержання широкого спектру полікристалічних надтвердих матеріалів інструментального призначення на основі щільних модифікацій нітриду бора і керування формуванням їх властивостей.

Основні наукові висновки і практичні результати полягають у наступному:

Холодна деформаційна обробка порошків BNв поряд з ущільненням, супроводжується подрібленням полікристалічних часток і, при деяких умовах, монокристалічних зерен, що викликає зміну їх структури. Деформування порошків прокаткою забезпечує більш інтенсивне протікання зазначених процесів, ніж при використанні високих статичних тисків, і при менших значеннях тисків у зоні деформації, що обумовлено наявністю напружень зсуву. Наявність напружень зсуву в зоні деформацій при прокатці порошків вюрцитного нітриду бора сприяє кількісній зміні його фазового складу, що має місце при тиску в зоні деформації р = 1,4 ГПа. Фазовий перехід BNвBNг здійснюється внаслідок руйнування дефектних часток і міжзеренних границь. BNг знаходиться на поверхні тріщин, які виникли в процесі деформування часток, причому, такі частки характеризуються сильною зміною форми розвиненої поверхні.

Руйнування часток порошків BNв і їх пластична деформація при деформуванні прокаткою здійснюється по базисній і призматичній площинах. Деформація здійснюється пластичними зрушеннями і поворотами областей часток щодо осей, розташованих у площині (0001) - та . Розвиток поворотів обумовлює двійникування і виникнення скидів, що сприяє зміні форми і переорієнтації розвиненої базисної поверхні часток. Пластичність BNв при прокатці пояснюється сумарною дією таких факторів: особливостями деформації, а саме, локальною дією одноосьового стиску з накладенням зсуву, деформацією вільних часток пластинчастої форми, що знаходяться в стані фазового наклепу; прикладенням навантаження до розвинених поверхонь часток, огранованих площиною (0001), яка є діючою площиною ковзання.

Попереднє деформування порошків BNв прокаткою в умовах зсуву забезпечує їм підвищену активність фазового перетворення при гарячому пресуванні в порівнянні з деформуванням високими статичними тисками, при цьому, у залежності від величини напружень в зоні деформації початкова температура фазового переходу BNвBNсф знижується на 100-200 градусів. Підвищена активність прокатаних порошків обумовлена збільшенням рушійної сили деформаційного фазового перетворення метастабільної вюрцитної фази в стабільну сфалеритну, викликаного напруженнями зсуву в площинах (0001) часток. Збільшення визначається сполученням наступних факторів, що сприяють розвитку зрушень у базисних шарах часток: а) хаотичне розташування розвинених поверхонь (0001) часток-пластин стосовно осьового стиску в апараті високого тиску; б) відмінні риси структурного стану часток після прокатки, такі як менший розмір у розвиненій поверхні, наявність базисних дефектів, пластична зміна форми і переорієнтація розвиненої поверхні.

Введення у порошки BNв наповнювача у вигляді полікристалічних часток приводить до зменшення інтенсивності подрібнення часток BNв до моменту встановлення р-Т умов, необхідних для здійснення фазового переходу BNвBNсф і процес фазового перетворення носить кристалоорієнтований характер. Наявність напружень зсуву, обумовлена негідростатичністю стиску, пов'язаного з присутністю часток наповнювача, полегшує реалізацію зсувних напружень “вюрцит - сфалерит” без повного одномірного розупорядкування структури BNв, характерного для формування структури гексаніту-Р. Структура матриці матеріалу на основі BNв з наповнювачем у виді полікристалічних зерен не подібна до структури гексаніту-Р і являє собою суміш дефектних зерен, які цілком або частково здійснили фазове перетворення BNвBNсф по кристалорієнтованому механізму, і досконалих зерен BNсф, що утворилися внаслідок наступної рекристалізації.

Введення у вихідні порошки BNв добавок на основі Si3N4 впливає на ріст зерен сфалеритної фази при фазовому перетворенні BNвBNсф і сприяє зміні характеристик міцності композиційного матеріалу, за рахунок утворення твердого розчину заміщення. Це прискорює процес збиральної рекристалізації сфалеритного нітриду бора при високих тисках і температурах, що зв'язано з існуванням концентраційних неоднорідностей в твердому розчині й, обумовлених ними, мікровикривленнями в ґратках, які стимулюють процеси рекристалізації.

Розроблено технологію гранулювання порошків BNв прокаткою (А.с. 1623009, СРСР), що разом з мінімізацією температурних градієнтів в АВТ при спіканні (А.с.1603686, СРСР) дозволило одержати полікристали на основі BNв діаметром до 14 мм, які відрізняються високим ступенем однорідності структури і рівнем властивостей. Промислові випробування ріжучих пластин при обробці деталей металургійного і гірничо-збагачувального устаткування зі сталі 110М13Л показали експлуатаційну стійкість у 2-3 рази вищу, ніж стійкість закордонного аналога на основі кубічного нітриду бора.

Розроблено композиційні полікристалічні надтверді матеріали армовані полікристалічними частками гексаніту-А (Пат. №9382 Україна) і матеріалу на основі нітриду кремнію (А.с. №943215 СРСР), який одержав торгову марку композит-12, а також технологію одержання абразивних порошків підвищеної міцності на основі BNв легованого Si3N4. Міцність таких порошків перевершує міцність гексаніту-А в 1,3-1,4 рази, що дозволяє ефективно використовувати їх при виготовленні інструменту для силового і глибинного шліфування.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО В ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

Технологические особенности механической обработки инструментом из поликристаллических сверхтвердых материалов / Захаренко П.В.,

Волкогон В.М., Бочко А.В., Джамаров С.С., Дрожжин В.И., Дудник Н.П., Доценко В.В., Коновалов Л.А., Коротченко В.Л., Ковалев В.Н., Осипов В.А., Самардак А.Ф., Борисова Л.Л., Топоров О.А. - Киев: Наукова думка, 1991. - 288 с.

Написання частини першого розділу, стосовно класифікації, отримання та структури ПНТМ із BNв.

Волкогон В.М., Падерно В.Н., Мартыненко А.Н. Структура и свойства порошков некоторых композиционных материалов на основе вюрцитоподобного нитрида бора // Порошковая металлургия. - 1985. - №6. - С.81-85.

Ідея, постановка задачі, виготовлення зразків та дослідження їх властивостей, узагальнення результатів та написання статті.

Волкогон В.М., Бочко А.В., Балан Т.Р. Кинетика BNв BNг превращения в условиях неизотермического спекания // Физика и техника высоких давлений.- 1986. - Вып.22. - С. 56-59.

Ідея, експериментальна частина, узагальнення та трактування результатів, написання статті.

Волкогон В.М., Островская Н.Ф., Будяк А.А. Температурное поле аппарата высокого давления и его влияние на структурообразование материала из вюрцитного нитрида бора //Порошковая металлургия. - 1987. - №5. - С. 40-46.

Ідея, експериментальна частина, узагальнення результатів та написання статті.

Структурные особенности и режущие свойства сверхтвердых материалов на основе нитрида бора / Г.Г. Карюк, А.В. Бочко, В.М. Волкогон, С.С.Джамаров, П.В. Захаренко, В.С. Сильвестров // Порошковая металлургия.-1987.- №8.- С. 92-97.

Постановка досліджень, одержання зразків, узагальнення результатів.

Вюрцитный нитрид бора - основа новых прогрессивных инструментальных материалов / Г.Г. Карюк, А.В. Бочко, С.С. Джамаров, А.О. Аранович, В.М.Волкогон, В.В. Ярош // Сверхтвердые материалы. - 1988. - №3. - С.52-53.

Узагальнення та трактування результатів досліджень, участь в написанні статті.

Волкогон В.М. Роль слоистых структур в изменении прочностных свойств поликристаллического материала на основе вюрцитного нитрида бора // Порошковая металлургия. - 1989. - №1. - С. 42 - 46.

Исследование механизма износа двухслойных пластин К10Д при обработке закаленных хромистых сталей / В.И. Бухштейн, А.М. Тихонцов, В.М.Волкогон, В.Н. Падерно, И.А. Косско // Сверхтвердые материалы. - 1989. - №4. - С.45-51.

Ідея, постановка задачі, виготовлення дослідних зразків, узагальнення експериментальних даних, формування висновків, написання статті

Волкогон В.М., Таланцев Л.Л. Работоспособность шлифованных кругов из гексанита - А различного фазового состава // Сверхтвердые материалы. - 1990. - №4. - С. 62-67.

Постановка задачі, виготовлення порошків ПНТМ, дослідження фазового складу та структури, узагальнення результатів та написання статті.

Волкогон В.М., Громыко С.Н., Курдюмов А.В. Влияние Si3N4 на рост зерен КНБ при фазовом переходе BNв - BNсф // Сверхтвердые материалы. - 1991. - №3. - С.14-17.

Ідея, виготовлення дослідних зразків, узагальнення та трактування результатів.

Волкогон В.М., Островская Н.Ф. Особенности прокатки порошков вюрцитного нитрида бора // Сверхтвердые материалы. - 1993. - №2. - С.38-41.

Ідея, постановка задачі, експериментальна частина, узагальнення та трактування результатів, написання статті

Волкогон В.М. Влияние сдвиговых напряжений на полиморфные превращения в вюрцитном нитриде бора // Сверхтвердые материалы. - 1993. - №3. - С.19-22.

Волкогон В.М. До питання про структурний механізм фазового перетворення BNв - BNсф // Високі технології в машинобудуванні. - Харків, 1999. - С.53-58.

Волкогон В.М. Пути повышения эффективности шлифовального инструмента для обработки быстрорежущих сталей // Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков: ХГПУ. - 1999. - Вып.54. - С.48-56.

Волкогон В.М. Особенности получения и свойства двухслойных пластин с режущим слоем из гексанита-Р // Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков: ХГПУ. -1999. - Вып.55. - С.44-49.

Волкогон В.М., Антонюк В.С. О роли графитоподобного нитрида бора в формировании остаточных напряжений, прочности и работоспособности материалов на основе вюрцитного нитрида бора // Сверхтвердые материалы. - 2001. - №5. - С.52-55.

Обґрунтування та постановка задачі, експериментальні роботи, розрахунки, узагальнення результатів та написання статті.

Карюк Г.Г., Волкогон В.М., Антонюк В.С. Режущий инструмент, оснащенный сверхтвердым материалом на основе вюрцитного нитрида бора- гексанитом-Р // Високі технології в машинобудуванні. - Харків. - 2001. - Вип.1(4). - С.31-35.

Експериментальна частина, узагальнення результатів, написання статті.

Олейник Г.С., Волкогон В.М., Аврамчук С.К. Структурные превращения в частицах вюрцитного нитрида бора при прокатке // Сверхтвердые материалы. - 2002. - №5. - С.26-35.

Ідея та постановка задачі, підготовка дослідних зразків, узагальнення та трактування результатів.

Волкогон В.М., Олейник Г.С. Влияние предварительной обработки порошка BNв прокаткой на фазовое превращение вюрцит - сфалерит при спекании гексанита-Р // Сверхтвердые материалы. - 2003. - №1. - С.22-31.

Ідея та постановка задачі, одержання дослідних зразків, узагальнення результатів та підготовка матеріалів статті.

Способ получения абразивных поликристаллических зерен нитрида бора: А.с.1603684 СССР С01 В 21/06 / В.М. Волкогон, С.Н. Громыко, В.Б.Зелявский, А.В. Курдюмов, А.Н. Пилянкевич, Л.Л. Таланцев (СССР) -№449027/31-26; Заявлено 12.04.88. - непубликуемое.

Ідея, виготовлення та випробування дослідних зразків, формула винаходу.

Способ получения поликристаллического сверхтвердого материала на основе плотных модификаций нитрида бора: А.с. 1603686 СССР. С01В 21/06/ В.М.Волкогон, О.А. Катрус, Г.Г. Карюк, А.В.Бочко, С.С. Джамаров, И.В.Волкогон, В.Г. Сильвестров, В.М. Очеретянский, А.А. Удоев (СССР). - №4490209. Заявлено 10.10.1988. - непубликуемое.

Ідея, постановка задачі та експериментальна частина, формула винаходу.

Устройство высокого давления: А.с. 1623009 СССР М. Кл2 В01J 3/06/ // В.М.Волкогон, С.С. Джамаров, П.В. Захаренко, И.В. Волкогон, О.Н. Позняк, С.Н. Селюков (СССР). - 4658216. Заявлено 19.12.1988. - непубликуемое.

Ідея, постановка задачі, випробування дослідного зразка, формула винаходу.

Пат. №9382 Україна, МПК С 01 В 21/04. Спосіб отримання надтвердого матеріалу на основі щільних модифікацій нітриду бора / С.С. Джамаров, А.В.Бочко, В.М. Волкогон, Г.Г. Карюк, Г.Б. Виноградова, Г.С. Олійник, С.М.Селюков, А.М. Авакян, Д.Г. Нерсееян, Л.А. Лещінер, С.М. Наливайко. 3965993 / SU: Заявлено 21.10.85. - непубликуемое.

Ідея, обґрунтування та постановка задачі, експериментальна частина, формула винаходу.

Пат. № 56945 А, Україна, 7 G01N 3/56. Спосіб визначення адгезійних процесів при різанні / В.С. Антонюк, В.М. Волкогон, С.К. Аврамчук, Г.С. Олейник, В.В.Возненко - Заявлено 12.12.2002. Опубл.15.05.2003. - Бюл.№5.

Ідея, постановка задачі, узагальнення результатів та формулювання висновків, формула винаходу.

Пат. № 57552 А, Україна, 7 G01N 3/56. Спосіб визначення механізму абразивного зносу при різанні. / В.С. Антонюк, В.М. Волкогон, Г.С. Олейник, В.В.Возненко - Заявлено 12.12.2002. Опубл.16.06.2003. - Бюл.№6.

Ідея, постановка задачі, виготовлення дослідних зразків, трактування результатів, формула винаходу.

Пат. № 57551 А, Україна, 7G01N 3/56. Спосіб визначення дифузійних процесів між інструментом і оброблюваною заготівкою. / В.С. Антонюк, В.М. Волкогон, С.К. Аврамчук, В.В.Возненко - Заявлено 12.12.2002. Опубл.16.06.2003. -Бюл.№6.

Постановка задачі, виготовлення та дослідження роботи зразків, формулювання висновків, формула винаходу.

Волкогон В.М., Островская Н.Ф. Особенности структурообразования СТМ при горячем прессовании BNв в условиях неоднородного теплового поля АВД // Сб.науч.тр. “Изменение свойств материалов под действием высоких давлений”. - Киев: ИПМ АН УССР. - 1986. - С.61-64.

Постановка задачі, експериментальні роботи, узагальнення результатів, написання статті.

Волкогон В.М., Громыко С.Н., Курдюмов А.В., Пилянкевич А.Н. Влияние добавок Si3N4 на структурообразование и прочностные свойства сверхтвердого материала из BN // Сб. науч. тр. “Материалы на основе нитридов”. - Киев: ИПМ АН УССР, 1988. - С.128-133.

Ідея, проведення експериментів, дослідження характеристик міцності НТМ, узагальнення результатів.

Волкогон В.М. Влияние структуры абразива на основе нитрида бора на работоспособность шлифовального инструмента // Сб. тр. “Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы (шлифабразив-99)”. - Волжский, 1999. - С.92-95.

Волкогон В.М., Карюк Г.Г. К вопросу управления процессами формирования физико-механических характеристик абразивных материалов на основе вюрцитного нитрида бора // Пр. V Міжнарод. наук.-метод. конф. “Інтеграція освіти, науки і виробництва”. - Луцьк: ЛДТУ, 2001. - С.136-139.

Ідея, обґрунтування методичних підходів, узагальнення результатів, написання статті.

Волкогон В.М., Аврамчук С.К., Шаповалов А.Ю. Роль технологических факторов в формировании свойств и однородности крупных заготовок гексанита-Р // Тез. докл. 9-го Междунар. семинар. “Новое в разработке и применении инструментальных материалов”: ИПМ им. И.Н. Францевича НАН Украины. - Киев, 2002. - С.41-42.

Обґрунтування та постановка задачі, аналіз і узагальнення експериментальних даних, формулювання висновків, написання статті.

Волкогон В.М., Курдюмов А.В, Запорожец О.И. Влияние предварительной деформационной обработки порошков вюрцитного BN на их структуру и спекание при высоких статических давлениях // Труды Междунар. конф. “Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике”. - Киев: ИД “Академпериодика”. - 2003. - С.68.

Ідея, дослідження впливу умов отримання ПНТМ на їх характеристики, узагальнення результатів та формулювання висновків.

АНОТАЦІЇ

Волкогон В.М. Фізико-технічні основи отримання та управління формуванням властивостей інструментальних полікристалічних надтвердих матеріалів з вюрцитного нітриду бора. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2003.

Дисертаційна робота присвячена розробці нових видів полікристалічних надтвердих матеріалів з підвищеними фізико-механічними та експлуатаційними характеристиками на основі вюрцитного нітриду бора і принципів управління формуванням їх властивостей.

Вирішення науково-практичної проблеми полягало у вивченні закономірностей фазових та структурних перетворень у вюрцитному нітриді бору під дією попереднього холодного деформування прокаткою при наявності напружень зсуву, чи при навантаженні в умовах, які приводять до зміни напружено-деформованого стану порошків, а також при гарячому пресуванні в умовах високих тисків в присутності домішок або без них. Управління властивостями полікристалічних матеріалів здійснюється шляхом реалізації різних механізмів фазового перетворення BNвBNсф при спіканні полікристалів, обумовлених відповідним структурним та напружено-деформованим станом частинок BNв.

Ключові слова: нітрид бора вюрцитний, деформування, прокатка, високий тиск, фазові та структурні перетворення, сфалерит, полікристалічні матеріали, твердість, міцність, зносостійкість.

Волкогон В.М. Физико-технические основы получения и управления формированием свойств инструментальных поликристаллических сверхтвердых материалов из вюрцитного нитрида бора. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев, 2003.

Диссертационная работа посвящена разработке новых видов поликристаллических сверхтвердых материалов на основе вюрцитного нитрида бора с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками и принципов управления формированием их свойств.

Решение научно-практической проблемы состояло в изучении закономерностей фазовых и структурных превращений в вюрцитном нитриде бора под действием предварительного холодного деформирования прокаткой при наличии сдвиговых напряжений или при нагружении в условиях, обеспечивающих изменение напряженно-деформированного состояния порошков, а также при горячем прессовании под высокими давлениями в присутствии добавок или без них. Управление свойствами поликристаллических материалов осуществлялось путем реализации различных механизмов фазового превращения BNвBNсф при спекании поликристаллов, которые обусловлены соответствующим структурным и напряженно-деформированным состоянием частичек порошка BNв. Поликристаллы характеризуются однородной дисперсной зеренной структурой, что обеспечивает им высокий уровень свойств. Практический аспект работы заключается в разработке высокоэффективного режущего и шлифовального инструмента на основе поликристаллических материалов из BNв, получаемых за счет применения технологических подходов предложенных в работе.

Экспериментально изучено влияние различных видов холодного деформирования прокаткой (р = 1,4 ГПа) и высокими статическими давлениями (р = 7,7 ГПа) на эволюцию структуры и фазовый состав порошков BNв. Прокатка порошков BNв сопровождается фрагментацией поликристаллических частичек и монокристаллических зерен, а также пластической деформацией, что приводит к изменению их структуры. Разрушение частиц осуществляется по базисной и призматической плоскостям. Деформация осуществляется пластическими сдвигами и поворотами областей частиц относительно осей и , лежащих в плоскости (0001). Развитие поворотов вызывает двойникование и сбросообразование, что способствует формоизменению и переориентации базисной поверхности частиц. Многократная прокатка приводит к уменьшению морфологической текстуры, что означает повышенную изометричность частиц после деформационной обработки и свидетельствует о большем сцеплении между исходными зернами BNв в базисной плоскости.

Наличие сдвиговых напряжений при прокатке обеспечивает прокатываемым порошкам BNв повышенную активность при спекании под высокими давлениями, которая заключается в снижении температурного порога фазового перехода BNвBNсф на 100-200 градусов в зависимости от величины напряжений в зоне деформации. Этот эффект обусловлен ростом составляющей движущей силы деформационного фазового превращения метастабильной вюрцитной фазы в стабильную сфалеритную, инициированного сдвиговыми напряжениями в плоскостях (0001) частиц BNв, который определяется такими факторами, способствующими развитию сдвигов в базисных слоях: хаотическим расположением развитых поверхностей (0001) пластинчатых частиц относительно к направлению сжатия в АВД; изменением структурного состояния частиц после прокатки - уменьшением их размера в развитой поверхности; наличием базисных дефектов упаковки; пластическом формоизменении и переориентации развитой поверхности.

Предварительная деформационная обработка в условиях сдвиговых напряжений способствует деформационному превращению BNвBNсф, осуществляемому путем послойной перестройки за счет размножения базисных дефектов упаковки и реализуется ориентационным соотношением: (111)сф (0001)в, [110]сф []в. Сдвиговые напряжения, обусловленные негидростатичностью сжатия частиц порошка BNв в присутствии крупных частиц наполнителя, не вызывают полного одномерного разупорядочения структуры вюрцита и процесс фазового превращения BNвBNсф протекает кристаллоориентировано путем образования политипных дефектов упаковки в базисных слоях решетки.

Введение в исходные порошки BNв нитрида кремния способствует повышению механических характеристик композиционного материала, обусловленного растворимостью Si3N4 в BNсф и образованием твердого раствора замещения, концентрационная неоднородность которого приводит к ускорению процесса собирательной рекристаллизации BNсф, за счет роста микроискажений решетки.

Получены крупногабаритные диаметром до 14 мм ПСТМ из деформированных BNв, которые показали высокую износостойкость при обработке высоколегированных сталей и износостойких чугунов твердостью 40-65 HRCэ. Абразивные порошки эффективны в шлифовальном инструменте при заточке быстрорежущих сталей, а также при силовом шлифовании.

Ключевые слова: нитрид бора вюрцитный, деформирование, прокатка, высокое давление, фазовые и структурные превращения, сфалерит, поликристаллические материалы, твердость, прочность, износостойкость.

Volkohon V.M. Physical and Technical Bases for Obtaining and Control of Forming Characteristics of Tool Polycrystal Superhard Materials Based on Wurtzite-like Boron Nitride. - Manuscript.

Thesis for the Doctor of Science (Engineering) degree in speciality 05.02.01 - Materials Science. - Materials Science of the National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2003.

This work is devoted to development of new types of polycrystal superhard materials with heightened physical and mechanical as well as work characteristics based on wurtzite-like boron nitride, and to control of principles for their properties forming.

The solution of scientifical and practical problem under lies in study of appropriateness of phase and structure transformation in wurtzite-like boron nitride under effect of preliminary cold deformation by rolling with presence of shearing stress or at loading under conditions changing stress-strain state of powders and also at hot pressing under conditions of high pressure with presence or absence of additives. The control of polycrystal materials properties is performed by means of realization of different phase transformation mechanisms wBNcBN during sintering of polycrystals stipulated by corresponding structural and stress-strain state of wBN particles.

Key words: wurtzite-like boron nitride, deformation, rolling, high pressure, phase and structure transformation, sphalerit, polycrystal materials, hardness, strength, wear resistance.

Размещено на Allbest.ru

...