Формування однорідної структури і підвищення зносостійкості надтвердих композитів, одержаних реакційним спіканням кубічного нітриду бору з алюмінієм при високому тиску

1. Запропоновано експериментально-розрахунковий спосіб моделювання пористої і зеренної структури композитів cBN, які отримують реакційним спіканням з попереднім просоченням алюмінієм під тиском, встановлено оптимальне співвідношення компонент в шихті, залежне від дисперсності вихідного порошку cBN, яке необхідне для одержання безпористого однорідного високотвердого зносостійкого композиту PCBN.

2. Встановлено з використанням рентгеноструктурного аналізу, що в системі cBN-Al при температурі 1750 К і тиску 1-4 ГПа на базі кристалічної гратки AlN утворюється твердий розчин бору зі збільшенням її періодів, показано два можливі варіанти утворення твердих розчинів: заміщення типу Al_xB_1-хN та втілення в міжвузля типу Al_xB_yN (x+y>1), встановлено тенденції зміни складу і типу твердого розчину в залежності від умов спікання.

3. Експериментально показана можливість дисперсного зміцнення композитів системи cBN-Al добавками порошку алмазу в шихту нижче порогу перколяції (5-15 %), при цьому досягнуто підвищення твердості композиту до 20 % і зниження абразивного зносу до 40 %.

4. Показано, що при реакційному двостадійному спіканні сBN з алюмінієм залежність твердості композиту від кількості алюмінію в шихті є крива з максимумом, точка екстремуму визначається такими чинниками як деформаційне зміцнення структури композиту і кількість сBN в структурі і наступає при меншій кількості Al в шихті, ніж та, що забезпечує однорідність структури композиту на мікрорівні і максимум зносостійкості.

5. Найбільш високе значення тріщиностійкості було отримано для композитів з оптимальним вмістом алюмінію в шихті, що пояснюється однорідністю структури таких зразків на мікрорівні, тріщиностійкість зразків практично не залежала від тривалості спікання, в той час як твердість зменшувалась при тривалому спіканні, причиною цього був процес раннього відпалу дефектів реальної кристалічної структури cBN, що приводив до суттєвого (в декілька разів) зниження щільності дислокацій.

6. Індентування композитів системи сBN-Al при підвищених температурах і розрахунки ефективних значень енергії активації пластичної деформації під індентором показали, що залежність енергії активації від вмісту Al в шихті знаходяться в оберненій кореляційній залежності з твердістю композиту, а залежність енергії активації від тривалості спікання корелює з характеристиками реальної кристалічної структури.

7. Дослідно-промислова партія нового композиту була отримана в умовах підприємства "Алкон-Кристал", випробування різальних пластин на режимах, близьких до тонкого точіння сталі ХВГ (HRC 58-60), виконувалось на підприємстві "Лінатек" і показало перевагу (менший знос) надтвердих композитів з однорідною на мікрорівні структурою над ріжучими пластинами кибориту-1 і кибориту-2.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ВИСВІТЛЕНО У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Беженар М.П. Фазовий склад композитів, отриманих реакційним спіканням в системі кубічний нітрид бору-алмаз-алюміній при високому тиску / Беженар М.П., Божко С.А., Білявина Н.М., Нагорний П.А., Коновал С.М. // Сверхтвердые материалы. - 2007. - № 6. - С. 27-37. Автором показано, що поряд з алмазом підвищення абразивної стійкості композитів забезпечує фаза Al₃BC, розташована на міжфазних границях.

2. Коновал С.М. Спікання при високому тиску порошків тугоплавких сполук титану і цирконію / Коновал С.М., Гарбуз Т.О., Кріштова О.В., Беженар М.П., Божко С.А., Білявина Н.М. // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения: сб. науч. трудов. - К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля, 2007. - Вып. 10. - С. 202-208. Автор показав, що процес спікання в АВТ полікристалів тугоплавких сполук TiB₂, TiC, TiN, ZrN супроводжується реакціями між компонентами шихти і адсорбованим киснем з утворенням твердих розчинів.

3. Коновал С.М. Моделювання пористої і зеренної структур при двостадійному спіканні надтвердих PCBN систем cBN-Al, cBN-TiB₂(TiN)- Al / Коновал С.М., Гарбуз Т.О., Беженар М.П., Божко С.А., Нагорний П.А. // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения: сб. науч. трудов. - К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля, 2008. - Вып. 11. - С. 180-188. Автором запропоновано спосіб моделювання пористої і зерненої структур композиту на основі кубічного нітриду бору з добавками дибориду титану та алюмінію.

4. Беженар М.П. Структура композитів системи cBN-Al-ZrN, отриманих спіканням при високому тиску / Беженар М.П., Олєйнік Г.С., Божко С.А., Гарбуз Т.О., Коновал С.М. // Сверхтвердые материалы. - 2009. - № 6. - С. 3-8. Автором встановлено, що в зразку з добавкою в шихті 7 % ZrN реалізується в основному механізм транскристалітного руйнування cBN і механізм міжзеренного руйнування прошарків зв'язуючої фази.

5. Коновал С.М. Реакційне спікання кубічного нітриду бору з алюмінієм і тугоплавкими сполуками при високому тиску / Коновал С.М., Гарбуз Т.О., Беженар М.П., Божко С.А., Нагорний П.А., Білявина Н.М., Марків В.Я. // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения: сб. науч. трудов. - К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля, 2009. - Вып. 12. - С. 235-243. Автор встановив, що основною відмінністю реакційної взаємодії, що пов'язана з типом АВТ, було те, що в КЗ-35 мали перевагу реакції з утворенням нітриду і дибориду алюмінію, а в КЗ-55 - утворення твердих розчинів.

6. Беженар Н.П. Реакционное взаимодействие в системе cBN-Al при высоком давлении / Беженар Н.П., Коновал С.М., Божко С.А., Белявина Н.Н., Маркив В.Я. // Физика и техника высоких давлений - 2009. - Т. 19, № 2. - С. 41-47. Автор встановив, що збільшення концентрації алюмінію в шихті зсуває реакційну взаємодію в системі cBN-Al в сторону утворення AlB₂.

7. Беженар М.П. Фізико-механічні властивості композитів cBN отриманих реакційним спіканням в залежності від вмісту алюмінію в шихті / Беженар М.П., Коновал С.М., Лошак М.Г., Александрова Н.І.. Божко С.А., Нагорний П.А., Білявина Н.М., Заїка М.І. // Сверхтвердые материалы. - 2010. - № 1. - С. 3-18. Автором встановлено найбільш високе значення тріщиностійкості в композиті з 20 % Al (10,7 Мпа•м ^1/2), що є оптимальним для шихти даного складу.

8. Беженар М.П. Нанокомпозити, отримані реакційним спіканням кубічного нітриду бору з алюмінієм і диборидом титану / Беженар М.П., Коновал С.М., Гарбуз Т.О., Божко С.А. // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент - техника и технология его изготовления и применения: сб. науч. трудов. - К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля, 2010. - Вып. 13. - С. 240-246. Автором встановлено, що основна проблема отримання полікристалів з нанопорошку cBN + Al є висока когезійна активність і як наслідок неоднорідність реологічних властивостей нанопорошку cBN.

9. Беженар Н.П. Твердые растворы в системах cBN-Al и сBN-Al-TiB₂, полученные при высоких давлениях и температурах / Беженар Н.П., Коновал С.М., Гарбуз Т.А., Божко С.А., Белявина Н.Н. // Физика и техника высоких давлений. - 2011. - Т. 21, № 1. - С. 38-46. Автором встановлено, що зміна складу і типу твердого відбувається в напрямку від заміщення бором алюмінію (Al_xB_1-хN) до занурення бору в міжвузля (Al_xB_yN; x<1; x+y>1).

АНОТАЦІЯ

Коновал С.М. Формування однорідної структури і підвищення зносостійкості надтвердих композитів, одержаних реакційним спіканням кубічного нітриду бору з алюмінієм при високому тиску. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. - Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ, 2011.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі - створення однорідних за структурою надтвердих композитів з підвищеною зносостійкістю. Визначені основні закономірності фізико-хімічної взаємодії при спіканні в умовах високого тиску порошкових сумішей cBN-Al, формування фазового складу, структури, фізико-механічних властивостей. Розроблено алгоритм розрахунку кількості алюмінію для шихти будь-якого складу, що забезпечує безпористу, однорідну на мікрорівні структуру композиту з підвищеними зносостійкістю та тріщиностійкістю. Встановлено, що AlB₂ утворюється в умовах, коли всі пори в стисненому порошку заповнені алюмінієм і тиск в рідкому Al рівний зовнішньому. Показано, що при спіканні в умовах високого тиску (4,2 ГПа, 1750 К) композитів cBN-Al з добавками в шихті алмазу утворюється дисперсно зміцнена структура композиту при вмісті дисперсної алмазної фази нижче порогу її перколяції (5-15 %). При випробуванні різальних пластин з нового композиту при точінні сталі ХВГ, HRC 58-60 встановлена підвищена їх зносостійкість в порівнянні з матеріалами киборит-1 і киборит-2.

Ключові слова: кубічний нітрид бору, високий тиск, надтвердий композит, структура, властивості, однорідність, твердий розчин, алюміній.

АННОТАЦИЯ

Коновал С.М. Формирование однородной структуры и повышение износостойкости сверхтвердых композитов, полученных реакционным спеканием кубического нитрида бора с алюминием при высоких давлениях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. - Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, Киев, 2011.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи - создание однородных по структуре сверхтвердых композитов с повышенной износостойкостью путем реакционного активированного спекания кубического нитрида бора с алюминием. Для достижения этого был разработан алгоритм расчета количества алюминия для шихты любого состава, обеспечивающего беспористую, однородную на микроуровне структуру композита.

Определены основные закономерности физико-химического взаимодействия при спекании в условиях высокого давления порошковых смесей cBN-Al, формирование фазового состава, структуры, физико-механических свойств. Показана целесообразность образования в структуре композита AlB₂, что, в отличие от высших боридов алюминия, повышает трещиностойкость и предотвращает катастрофический отказ инструмента.

Исследование системы cBN-Al при температуре 1750 К и давлении 1-4 ГПа показали, что альтернативой образования диборида и высших боридов алюминия является создание на базе решетки AlN твердого раствора бора с увеличением ее периодов, показаны два возможных варианта образования твердых растворов: замещение типа Al_xB_1-хN и внедрения в междоузлия типа Al_xB_yN (x+y>1). Установлено тенденцию изменения состава и типа твердого раствора при росте продолжительности спекания, а именно уменьшение содержания бора в позициях замещения и рост в позициях внедрения в междоузлия. Увеличение давления или концентрации алюминия в шихте сдвигает реакционную взаимодействие в сторону образования AlB₂ и твердых растворов на его основе, увеличение температуры приводит к образованию высших боридов алюминия.

Установлено, что в условиях, когда Al недостаточно для заполнения всех пор в сжатом порошка сBN, давление в жидком Al равно капиллярному, в результате химического взаимодействия в системе образуются AlN, твердые растворы на его основе и высшие бориды алюминия, в структуре композита присутствуют участки без связки. В случае, когда все поры в сжатом порошка заполнены алюминием, давление в жидком Al равно внешнему давлению, в результате реакционного взаимодействия образуются AlN i AlB₂ и твердые растворы на их основе.

Показано, что зависимость твердости композита от количества алюминия в шихте имеет максимум, точка экстремума определяется деформационным упрочнения структуры композита и количеством сBN в его составе и наступает при меньшем количестве Al в шихте, чем та, что обеспечивает однородность структуры композита на микроуровне и максимум износостойкости.

Индентирование композитов системы сBN-Al при повышенных температурах и расчеты энергии активации пластической деформации показали, что эффективные значения энергии активации для интервала температур 293-673 К близки в монофазных поликристаллах сBN и композитах с содержанием в шихте 2 и 10 % Al (0,03 эВ/ат); а при росте содержания алюминия до 20 и 30 % Al возрастают до 0,04 и 0,05 эВ/ат соответственно.

Показано, что при спекании в условиях высокого давления (4,2 ГПа, 1750 К) композитов cBN-Al с добавками в шихте алмаза образуется дисперсно-упрочненная структура композита при содержании дисперсной алмазной фазы ниже порога ее перколяции (5-15 %).

Опытно-промышленная партия нового композита была получена в условиях предприятия "Алкон-Кристалл". При испытании режущих пластин из новых композитов при точении стали ХВГ, HRC 58-60 установлена повышенная их износостойкость по сравнению с материалами Киборит-1 и Киборит-2. Область применения разработанных композитов - изготовление лезвийного инструмента повышенной износостойкости на операциях чернового, получистового и чистового точения.

Ключевые слова: кубический нитрид бора, высокое давление, сверхтвердый композит, структура, свойства, однородность, твердый раствор, алюминий.

ABSTRACT

Konoval S.M. Forming of a homogeneous structure and improving the wear resistance of superhard composites, obtained at reaction sintering of cubic boron nitride with aluminum at high pressure. - Manuscript.

Dissertation of Candidate Science (Engineering) in specialty 05.02.01 - Material Science. - V.N. Bakul Institute for Superhard Materials of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2011.

The dissertation is devoted the solution of an actual scientific and technical problem - the creation of superhard composites with homogeneous structure and improved wear resistance. The fundamental regularities of physical and chemical interacting is defined at sintering in high pressure of mixture cBN-Al, the formation of phase composition, structure, physical and mechanical properties is studied. The algorithm was developed for calculating the amount of aluminum for any mixture for providing pore-free homogeneous micro-structure of the composite with high wear resistance and fracture toughness. It is established that AlB₂ formed in a time when all the pores of the compressed powder filled with aluminum and the pressure in the liquid aluminum is equal to the external pressure. It is shown that during sintering under high pressure (4.2 GPa, 1750 K) cBN-Al composites with diamond additives in the mixture, is formed the disperse-strength structure of the composite with dispersed diamond phase content is below the percolation threshold (5-15 %). Testing of the cutting tool from new composite at alloyed steel turning (HRC 58-60) is set an increase their wear resistance compared with the materials Kiborit-1 and Kiborit-2.

Keywords: cubic boron nitride, high pressure, superhard composite, structure, properties, homogeneity, solid solution, aluminum.

Размещено на Allbest.ru