Оцінка впливу взаємодії вуглецю із сполуками карбідів, боридів, нітридів і силіцидів на структуру і властивості композитів алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn
У рамках теорії пружності отримано вираз для визначення енергії, необхідної для входження атома вуглецю в кристалічну решітку карбідів, боридів, нітридів, силіцидів перехідних металів Ti, V,Cr Mo, Nb, Hf, Cr, W і Zr, а також сполук кремнію і бору, що дозволяє оцінити їх вклад на структуру і властиво...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
2011
|
| Schriftenreihe: | Проблемы машиностроения |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110267 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Оцінка впливу взаємодії вуглецю із сполуками карбідів, боридів, нітридів і силіцидів на структуру і властивості композитів алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn / В.А. Мечник // Проблемы машиностроения. — 2011. — Т. 14, № 5. — С. 65-75. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110267 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1102672025-02-09T14:25:50Z Оцінка впливу взаємодії вуглецю із сполуками карбідів, боридів, нітридів і силіцидів на структуру і властивості композитів алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn Estimation of influence of interaction of carbon with compound of carbides, borides, nitrides, silicides on structure and properties of composites Diamond-Fe-Cu-Ni-Sn Мечник, В.А. Материаловедение в машиностроении У рамках теорії пружності отримано вираз для визначення енергії, необхідної для входження атома вуглецю в кристалічну решітку карбідів, боридів, нітридів, силіцидів перехідних металів Ti, V,Cr Mo, Nb, Hf, Cr, W і Zr, а також сполук кремнію і бору, що дозволяє оцінити їх вклад на структуру і властивості композиційних алмазовмісних матеріалів (КАМ) системи Алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn в процесі їх одержання. В рамках теории упругости получено выражение для определения энергии, необходимой для внедрения атома углерода в кристаллическую решетку карбидов. боридов, нитридов, силицидов переходных металлов Ti, V,Cr Mo, Nb, Hf, Cr, W и Zr, а также соединений кремния и бора, которое позволяет оценить их роль на структуру и свойства композиционных алмазосодержащих материалов (КАМ) системы Алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn в процессе их формирования. In the elasticity theory framework, the expression has been derived for the energy required for joining the carbon atom in the crystal lattice of carbides, borides, nitrides, silicides of transition metals Ti, V, Cr Mo, Nb, Hf, Cr, W and Zr, silicon compounds and boron, in order to assess their contribution to the structure and properties of diamond-containing composite material (DCM) Fe-Cu-Ni-Sn. 2011 Article Оцінка впливу взаємодії вуглецю із сполуками карбідів, боридів, нітридів і силіцидів на структуру і властивості композитів алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn / В.А. Мечник // Проблемы машиностроения. — 2011. — Т. 14, № 5. — С. 65-75. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110267 620.22 − 419:621.921.34 uk Проблемы машиностроения application/pdf Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Материаловедение в машиностроении Материаловедение в машиностроении |
| spellingShingle |
Материаловедение в машиностроении Материаловедение в машиностроении Мечник, В.А. Оцінка впливу взаємодії вуглецю із сполуками карбідів, боридів, нітридів і силіцидів на структуру і властивості композитів алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn Проблемы машиностроения |
| description |
У рамках теорії пружності отримано вираз для визначення енергії, необхідної для входження атома вуглецю в кристалічну решітку карбідів, боридів, нітридів, силіцидів перехідних металів Ti, V,Cr Mo, Nb, Hf, Cr, W і Zr, а також сполук кремнію і бору, що дозволяє оцінити їх вклад на структуру і властивості композиційних алмазовмісних матеріалів (КАМ) системи Алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn в процесі їх одержання. |
| format |
Article |
| author |
Мечник, В.А. |
| author_facet |
Мечник, В.А. |
| author_sort |
Мечник, В.А. |
| title |
Оцінка впливу взаємодії вуглецю із сполуками карбідів, боридів, нітридів і силіцидів на структуру і властивості композитів алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn |
| title_short |
Оцінка впливу взаємодії вуглецю із сполуками карбідів, боридів, нітридів і силіцидів на структуру і властивості композитів алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn |
| title_full |
Оцінка впливу взаємодії вуглецю із сполуками карбідів, боридів, нітридів і силіцидів на структуру і властивості композитів алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn |
| title_fullStr |
Оцінка впливу взаємодії вуглецю із сполуками карбідів, боридів, нітридів і силіцидів на структуру і властивості композитів алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn |
| title_full_unstemmed |
Оцінка впливу взаємодії вуглецю із сполуками карбідів, боридів, нітридів і силіцидів на структуру і властивості композитів алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn |
| title_sort |
оцінка впливу взаємодії вуглецю із сполуками карбідів, боридів, нітридів і силіцидів на структуру і властивості композитів алмаз-fe-cu-ni-sn |
| publisher |
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Материаловедение в машиностроении |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110267 |
| citation_txt |
Оцінка впливу взаємодії вуглецю із сполуками карбідів, боридів, нітридів і силіцидів на структуру і властивості композитів алмаз-Fe-Cu-Ni-Sn / В.А. Мечник // Проблемы машиностроения. — 2011. — Т. 14, № 5. — С. 65-75. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
| series |
Проблемы машиностроения |
| work_keys_str_mv |
AT mečnikva ocínkavplivuvzaêmodíívuglecûízspolukamikarbídívboridívnítridívísilícidívnastrukturuívlastivostíkompozitívalmazfecunisn AT mečnikva estimationofinfluenceofinteractionofcarbonwithcompoundofcarbidesboridesnitridessilicidesonstructureandpropertiesofcompositesdiamondfecunisn |
| first_indexed |
2025-11-26T20:18:44Z |
| last_indexed |
2025-11-26T20:18:44Z |
| _version_ |
1849885542659915776 |
| fulltext |
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2011, Т. 14, № 5 65
УДК 620.22 − 419:621.921.34
В. А. Мечник, канд. техн. наук
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України
(м. Київ, e-mail: vlad.me4nik@ukr.net)
ОЦІНКА ВПЛИВУ ВЗАЄМОДІЇ ВУГЛЕЦЮ ІЗ СПОЛУКАМИ
КАРБІДІВ, БОРИДІВ, НІТРИДІВ І СИЛІЦИДІВ НА СТРУКТУРУ І
ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИТІВ АЛМАЗ−Fe-Cu-Ni-Sn
У рамках теорії пружності отримано вираз для визначення енергії, необхідної для вхо-
дження атома вуглецю в кристалічну решітку карбідів, боридів, нітридів, силіцидів пе-
рехідних металів Ti, V,Cr Mo, Nb, Hf, Cr, W і Zr, а також сполук кремнію і бору, що до-
зволяє оцінити їх вклад на структуру і властивості композиційних алмазовмісних ма-
теріалів (КАМ) системи Алмаз−Fe-Cu-Ni-Sn в процесі їх одержання. Встановлено,, що
введення добавки CrB2 до вихідної шихти Алмаз−51%Fe-32%Cu-9%Ni-8%Sn на відміну
від добавок інших тугоплавких сполук забезпечує повне зневуглецювання в перехідній зоні
алмаз−матриця шляхом утворення прошарків Cr3C2, Cr7C3 і Fe3C нанорозмірних (5−
40 нм) товщин та істотне підвищення зносостійкості КАМ. Із застосуванням одержа-
ної формули та комплексу методів фізичного матеріалознавства встановлені парамет-
ри складу і p-T-t умови гарячої допресовки алмазовмісних систем, які дозволяють набу-
вати кращих фізико-механічних властивостей КАМ, ніж у КАМ, виготовлених промис-
ловими технологіями.
В рамках теории упругости получено выражение для определения энергии, необходимой
для внедрения атома углерода в кристаллическую решетку карбидов. боридов, нитри-
дов, силицидов переходных металлов Ti, V,Cr Mo, Nb, Hf, Cr, W и Zr, а также соедине-
ний кремния и бора, которое позволяет оценить их роль на структуру и свойства ком-
позиционных алмазосодержащих материалов (КАМ) системы Алмаз−Fe-Cu-Ni-Sn в про-
цессе их формирования. Установлено, что введение добавки CrB2 в состав исходной ши-
хты Алмаз−51%Fe-32%Cu-9%Ni-8%Sn в отличие от добавок других тугоплавких соеди-
нений обеспечивает полное обезуглероживание в переходной зоне алмаз−матрица пу-
тем образования прослоек Cr3C2, Cr7C3 и Fe3C наноразмерных (5−40 нм) толщин и су-
щественное повышение износостойкости КАМ. С использованием полученного выраже-
ния и комплекса методов физического материаловедения установлено параметры со-
става и p-T-t условия горячей допрессовки алмазосодержащих систем, которые позво-
ляют получать лучшие свойства КАМ, чем в КАМ, изготовленных по промышленным
технологиям.
1. Актуальність проблеми
Розвиток каменеобробної, добувної та будівельної промисловості України вимагає
від матеріалознавців створення нових композиційних алмазовмісних матеріалів із необхід-
ним комплексом фізико-механічних властивостей і прогресивних технологій їх отримання.
У промислових умовах такі КАМ виготовляють гарячим ізостатичним пресуванням, вільним
спіканням, вільним спіканням з наступною гарячою допресовкою та гарячим пресуванням.
Особливе місце серед зазначених матеріалів займають КАМ на металевих зв’язках, що вмі-
щують залізо, мідь, нікель і олово. Це пов’язано із тим, що вони використовуються для виго-
товлення відрізних кругів, канатних пил, свердл-коронок та шліфувальних і полірувальних
інструментів [1]. Ці КАМ мають ряд певних переваг у порівнянні з їх аналогами, поширени-
ми зараз. До таких переваг належать: присутність рідкої фази у системі Cu-Sn-Ni при відно-
сно низькій температурі спікання, що дозволяє зберегти міцність алмазів; здатність складо-
вих зв’язки до холодного пресування та відносно високі значення її теплопровідності і
в’язкості, що дозволяє одержати КАМ різної форми з високою щільністю компонентів; ви-
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2011, Т. 14, № 5 66
сокі показники різальних властивостей, що дозволяє їх використовувати для обробки різних
гірських порід. Проте, ці КАМ не позбавлені також недоліків: їх зносостійкість помітно ни-
жча зносостійкості КАМ на кобальтовій основі; недостатня твердість металевої зв’язки та
низькі значення границі міцності на стиск, що не дозволяє досягти високої стійкості КАМ
проти абразивного зношування; перехідна зона алмаз–матриця здебільшого схильна до
утворення графітових включень, що є причиною її руйнування по механізму інтенсивного
розтріскування та передчасного випадіння алмазів з матриці [2, 3].
Для того щоб в таких КАМ відтворилися унікальні властивості алмазу, зокрема теп-
лопровідність, твердість, міцність та зносостійкість, у зв’язці композиту має бути рівномір-
ний розподіл елементів і продуктів їх взаємодії, особливий стан перехідної зони за наявності
наноструктури на границі поділу алмаз−матриця та хімічних зв’язків [4,5]. Процес часткової
графітизації алмазів під час формування композицій та відсутність адгезії зв’язка−алмаз є
загальною проблемою таких КАМ. Це спричиняє утворення графітових включень в перехід-
ній зоні, а можливості перешкодити цьому небажаному процесу дуже обмежені, що погір-
шує фізико-механічні властивості КАМ [6, 7]. З іншої сторони, процес часткової графітиза-
ції алмазів можна використати як для поліпшення структури перехідної зони, так і для оде-
ржання нових корисних властивостей КАМ [8]. Для цього необхідно знати умови, за яких
відбувається взаємодію вуглецю, що утворюється в процесі графітизації алмазів, з твердою
фазою (α-Fe). Зазначимо, що цій взаємодії перешкоджає присутність на границі поділу ал-
маз−матриця рідкої фази (Cu-Sn). Це є основною причиною утворення графітових включень
в перехідній зоні, її руйнування по механізму інтенсивного розтріскування і, як наслідок,
передчасного випадіння алмазів з матриці композитів, що знижує їх зносостійкість.
Додатковим джерелом для поліпшення структури та підвищення зносостійкості
КАМ може бути використання у їх складі добавок боридів, карбідів, нітридів, силіцидів пе-
рехідних металів, а також інших сполук, які здатні забезпечити утворення в перехідній зоні
більш стійких фаз, ніж Fe3C. Дослідження процесів дифузії вуглецю в залізо та усі ці сполу-
ки може бути джерелом нових даних для теорії і технології одержання КАМ з корисними
властивостями. Для цього необхідно досліджувати множину ситуацій, у яких натурні експе-
рименти вкрай утруднені внаслідок взаємного впливу елементів та нескінченно малої кон-
центрації вуглецю, а чисто теоретичний аналіз надзвичайно складний. Більшість наукових
праць у цій області зосереджені, як правило, на вивченні окремих аспектів структуроутво-
рення та визначенні факторів, які підвищують зносостійкість КАМ. В них відсутні узагаль-
нюючі дослідження, які б охоплювали етапи формування оптимальної структури КАМ та їх
властивостей. Однак на цей час не існує методики контролювання нових фаз під час вигото-
влення КАМ. У зв’язку з цим розробка методів контролювання процесу утворення наност-
руктури в перехідній зоні під час одержання КАМ є достатньо актуальним завданням.
Відсутність цього комплексу закономірностей не дозволяє здійснити цілеспрямова-
ний вплив на структуроутворення в процесі формування алмазовмісних композицій та не
дає можливості отримати КАМ із заздалегідь заданими властивостями.
Метою даної статті було розробка методики визначення добавок з ряду карбідів, бо-
ридів, нітридів і силіцидів перехідних металів Ti, V,Cr Mo, Nb, Hf, Cr, W і Zr, а також сполук
кремнію, карбіду бору і нітриду бору до вихідної шихти Алмаз−51%Fe-32%Cu-9%Ni-8%Sn,
які забезпечують поліпшення структури та фізико-механічні властивості КАМ шляхом утво-
рення в перехідній зоні наноструктури з нових фаз за найменших енерговитрат під час їх
одержання. В роботі наведено результати впливу добавок TiB2, CrB2 і WC до складу компо-
зитів, виготовлених промисловими технологіями, на структуру і властивості КАМ.
2. Об’єкти і методи дослідження
Об’єктами експериментального дослідження були попередньо відшліфовані зразки
КАМ діаметром 10 мм і завтовшки 8 мм та тонкі фольги від них товщиною від 20 до 80 нм.
Як вихідні речовини для виготовлення зразків КАМ використовували порошки алмазу
АС160Т зернистістю 400/315 (ТУ 2–37–344–85), заліза ПЖ1М2 (ГОСТ 9849–74), міді
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2011, Т. 14, № 5 67
ПМС–1 (ГОСТ 4960–75), нікелю ПНЭ (ГОСТ 9722–79), олова ПО–1 (ГОСТ 9723–73), дибо-
ридів хрому і титану, карбіду вольфраму. Порошки заліза, міді, нікелю, олова та сполук пе-
рехідних металів піддавали механічному обробленню в барабанному млині з використанням
розмельних куль з високощільної алюмоксидної кераміки в режимі сухого млива. Швидкість
обертання млина становила 200 об/хв, що забезпечувало ударно-зсувну дію куль на порош-
ки. Співвідношення маси куль і порошків становило 5:1, тривалість оброблення 10 год. Роз-
міри вихідних порошків не перевищували 5 мкм. Порошкові суміші змішували у спиртовому
середовищі за схемами: серійного складу−51%Fe-32%Cu-9%Ni-8%Sn (тут і далі % мас) і до-
слідних складів−серійний склад +X, де X−вміст тієї чи іншої сполуки. Співвідношення
Fe/Ni = 51/9 та Cu/Sn = 32/8 у дослідних сумішах відповідає серійному складу. Алмазовмісні
суміші одержали в інший спосіб. В порошкові суміші додавали алмазний порошок з розра-
хунку 1,54 карата на 1 см3 шихти (що відповідає відносній концентрації К = 35%), який був
змочений гліцерином, та перемішували її до потрібної якості без використання розмельних
куль. Для одержання зразків наважки алмазовмісних сумішей закладали в потрібній кількос-
ті в спеціальні форми, які виготовлені з жаростійкого сплаву XY77ТЮР (ГОСТ 5632 – 72) і
за кімнатної температури та тиску 100 МПа отримали відповідні брикети діаметром 10 мм.
Отримані брикети в цих самих формах піддавали спіканню в печі SNOL 72/100 за темпера-
тури 800 °С протягом години та наступній гарячій допресовці на пресі ПГР400 10Т при різ-
ному тиску. Температуру системи в процесі гарячої допресовки зменшували з 800 до 770 °С
(швидкість остигання ~10 °С/хв). Зміна типу добавки, складу вихідних речовин, тиску і три-
валості перебування системи під тиском служили критеріями зміни усадки, кінетичних кон-
стант, структури і властивостей КАМ. Зразки пресували при тиску 100, 160 і 200 МПа.
Дослідження мікроструктури зразків КАМ далеко від контакту алмаз–матриця зроб-
лене за допомогою електронного мікроскопа Zeiss EVO-50-XVP, оснащеного енергодиспер-
сійним аналізатором рентгенівських спектрів INCA-450 «Instruments». Електронно-
мікроскопічні зображення перехідної зони алмаз–матриця зразків КАМ та відповідні дифра-
кційні картини досліджували на трансмісійному мікроскопі SELMI TEM з потенціалом при-
скорення 125 kV при збільшенні від 50000 до 300000 разів (роздільна здатність 0,18 нм). То-
нкі фольги для дослідження отримали методом електролітичного полірування в електроліті
20%HClO4 + 30%HNO3 + H2O. Зйомку дифрактограм здійснювали за допомогою дифракто-
метра ДРОН 4.13С у випромінюванні мідного анода. Рентгенофазовий аналіз зроблено за
стандартною методикою з використанням програмного пакета X–powder. Ідентифікація фаз
проведена з використанням картотеки ASTM з базою PDF2. Морфологію поверхні
перехідної зони та її хімічний склад здійснювали на растровому електронному мікроскопі
SELMI SEM–106M з потенціалом прискорення 20 kV та діаметром електронного зонду
0,7 мкм. Кількісні розрахунки хімічного складу проведено з використанням методики ZAF
корекції та програмного пакета magelanes 3.1. Похибки визначення складу: для важких еле-
ментів ~0,01% і легких ~1% (% за масою). Мікротвердість зразків здійснювали за допомо-
гою мікротвердоміра ПМТ – 3 з використанням індентора Віккерса за навантаження 4,91 Н.
Відбитки наносили у фазах, що не містять зерен алмазу. Розміри відбитків вимірювали при
збільшенні у 25 разів. Твердості розраховували за формулою Hb = 0/4636P/x2, де Р – наван-
таження, x – діагональ відбитка. Міцність на згинання та стискання досліджували за станда-
ртною методикою (похибка ≤ 5%).
Далі наведені приклади використання наукових результатів в технології одержання
КАМ різного функціонального призначення. Галузь практичного використання одержаних в
роботі результатів − алмазні відрізні сегментні круги (АВСК) для каменеобробної промис-
ловості та алмазні коронки для буріння свердловин. Об’єктами промислового випробування,
впровадження та вдосконалення складу і технології виробництва були АВСК 320 АС 160 Т
400/315 М6−14 35 (1). АВСК 320 АС 160 Т 400/315 М−16 35 (2) серійного виробництва та
дослідний АВСК 320, КАМ якого виготовлено на основі вихідної шихти з добавкою CrB2 в
малій кількості в порівнянні до основних складових шихти − круг (3).
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2011, Т. 14, № 5 68
3. Елементи теорії
Ідея ужитого заходу полягає у ви-
значенні енергії, необхідної для входження
атомів вуглецю в кристалічну решітку тієї
чи іншої сполуки, з використанням фізич-
ної моделі, запропонованої Мотом і Набар-
ро [9], і порівнянні одержаних результатів
зі структурою та властивостями отриманих
КАМ та відомими у цьому напряму експе-
риментальними даними [10]. Розглядається
можливість входження атома вуглецю в
кристалічну решітку того чи іншого твер-
дого компонента матриці, атомні об’єми і
атомні радіуси яких в початковому стані
відповідають 0
cV і 0
мV , 0
cr і 0
мr відповідно.
Схему входження атома вуглецю в криста-
лічну решітку матриці наведено на рис. 1.
Тут і далі компоненти матриці позначаємо
літерою «м» у нижньому індексі як для ра-
діуса r, так і об’єму V, а компоненти атома
вуглецю − «с».
Відповідно до моделі неспівпадаю-
чих сфер у теорії пружності, запропонова-
ної Мотом і Набарро [9], проникаючий
атом вуглецю розглядається як пружна
сфера, поміщена у отвір об’єму 0
мV в ізотропному пружному континуумі. Нехай атомні
радіуси чистих компонентів (вуглецю і матриці) відповідають 0
cr і 0
мr , тоді зв'язок між ними
визначається таким виразом:
( ) 0
м
0
c 1 rr ε+= , (1)
де
y
x
∂
∂
=ε − відносна швидкість зміни атомного радіуса, а отже, і параметра решітки.
Нехай проникаючий атом вводиться в нескінченний кристал, де його обсяг стає Vм, а
ефективний радіус
( ) 0
м61 rCrc ε+= , (2)
де С6 − константа, що визначається формулою
мc
c
6 43
3
μ+
=
K
KC ; Kс − модуль стискання про-
никаючого атома і μм − модуль зрушення для того чи іншого компонента матриці.
Енергія деформації всієї системи складається із суми енергій деформацій матриці й
проникаючого атома
W = Wм + Wс, (3)
де [9]
( ) .2/19
,6
22
6ccc
c
22
6мм
ε−=
εμ=
CKVW
VCW
. (4)
Підставляючи (4) у (3), одержуємо
c
2
66 VCW k εμ= . (5)
Рис. 1. Схема входження атома вуглецю в
кристалічну решітку матриці в процесі гарячої
допресовки композиції:
0
cr і 0
мr − відповідно атомні радіуси вуглецю і мат-
риці; 0
cV і 0
мV − атомні об’єми вуглецю і матриці;
α − Cu-Sn-Ni − евтектична рідина; а − параметр
кристалічної решітки тієї чи іншої сполуки
( 0
мr ≈ 0,5а); Т і р − температура і тиск в системі
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2011, Т. 14, № 5 69
Враховуючи, що різниця атомних об’ємів компонента матриці й проникаючого ато-
ма вуглецю
( )30
м
0
м
0
c 4 rVV π=− , (6)
то отримаємо
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=ε 1
3
1
3
0
м
0
c
r
r . (7)
Підставляючи співвідношення (7) у (5), нами отримано вираз, що дозволяє знайти
енергію, необхідну для входження проникаючого атома вуглецю в кристалічну решітку того
чи іншого компонента матриці та оцінити його вплив на структуру і властивості КАМ
( )30
c
23
0
м
0
c
6м 1
3
2 V
r
rCW
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
πμ= . (8)
4. Аналіз результатів
Використовуючи формулу (8), нами проведено розрахунок енергії, необхідної для
входження атома вуглецю в кристалічну решітку тугоплавких сполук перехідних металів Ti,
Cr, Mo, Nb, Ta, Hf, W, V, Zr, а також кремнію, BN і B4C, для випадку, коли вони контакту-
ють з алмазом. Отримані результати подано в табл. 1. Тут також наведені значення пружних
модулів, які використовувалися під час розрахунку [11], а також відомі експериментальні
дані енергії активації дифузії вуглецю в кристалічну решітку заліза, ванадію, нікелю, крем-
нію, молібдену, танталу, гафнію, вольфраму, хрому та цирконію [10]. Слід відзначити, що з
фізики металів [12, 13] відомо, що чим менше значення цієї енергії, то вірогідність утворен-
ня нової фази в сплавах більша. При цьому в сплаві відбувається поліпшення структури та
механічних характеристик. Тому це положення було використано нами для аналізу можли-
вого стану алмазовмісної композиції під час її формування. Аналіз отриманих даних
(табл. 1) показує, що для CrB2 і Cr3C2 спостерігається найменше значення W
(~209 кДж/моль) серед усіх цих сполук, далі ідуть сполуки VB і VN, для яких значення W
складає 261 і 275 кДж/моль. Для інших сполук значення цієї енергії зростає від 275 до
600 кДж/моль. Різні значення W можна пояснити тим, що фізико-механічні властивості цих
сполук суттєво відрізняються.
Отже, отримані дані дають підставу стверджувати, що у випадку використання ди-
бориду хрому у складі вихідної шихти слід очікувати утворення на границі поділу алмаз–
матриця фаз Cr3C2, Cr7C3 чи (або) (Fe, Cr)xCy (де x, y> 1) з одночасним поліпшенням струк-
тури та підвищенням показників зносостійкості КАМ. Більші значення W для усіх інших
сполук свідчить про те, що у цих випадках вірогідність утворення нових фаз менша, тому
тут слід очікувати погіршення структури перехідної зони алмаз–матриця, нижчий рівень
зносостійкості КАМ. З табл. 1 видно, що розраховані значення енергії, необхідної для вхо-
дження атома вуглецю в кристалічну решітку заліза, титану, ванадію, ніобію, танталу, воль-
фраму, хрому і цирконію, добре узгоджуються з експериментально визначеною енергією
активації для дифузії вуглецю в кристалічну решітку цих металів [10]. Підтвердженням та-
ких теоретичних висновків є результати структурних досліджень зразків КАМ на ПЕМ, які
були отримані на основі стандартної шихти Алмаз−51%Fe-32%Cu-9%Ni-8%Sn (зразки 1, 2),
а також зразків КАМ, отриманих на основі аналогічної шихти з добавками CrB2 (зразки 3, 4),
TiB2 (зразок 5) і WC (зразок 6) в кількості 2% (рис. 2). Видно, що структура перехідної зони
цих зразків має специфічну будову і залежить від складу вихідної шихти.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2011, Т. 14, № 5 70
Таблиця 1. Розрахункові значення енергії, необхідної для входження
атома вуглецю в кристалічну решітку складових матриці КАМ
Параметри, які використовувалися
під час розрахунку Елемент,
сполука Параметр ре-
шітки а, нм
Модуль зру-
шення μм, ГПа
Константа
С6
Розрахун-
кове зна-
чення W,
кДж/моль
Експеримента-
льні значення
Еа, кДж/моль
Fe 0,286 82, 0 0,883 90,8 80,4
Ti 0,302 43,3 0,904 103,3 128
TiB2 0,300 210,0 0,707 392,4 −
TiC 0,440 193,0 0,680 424,8 −
TiN 0,420 160,0 0,683 349,1 −
TiSi 0,500 98,0 0,808 263,6 −
TiSi2 0,320 108,0 0,791 298,0 −
V 0,288 49,0 0,893 111,2 114;116
VN 0,412 140,2 0,750 275,0 −
VB 0,300 130,0 0,759 260,8 −
VB2 0,300 160,0 0,719 304,0 −
VC 0,412 156,0 0,724 358,5 −
Si 1,851 70,8 0,852 212,7 330
SiC 1,274 68,1 0,857 205,4 −
α− SiCII 0,300 197,5 0,857 447,0 −
α− SiCIV 1,772 197,5 0,857 596,9 −
α− SiCV 4,280 197,5 0,857 597,0 −
Mo 0,329 119,3 0,774 262,5 248
MoSi2 0,320 176,6 0,698 344,1 −
Mo3Si2 0,488 63,8 0,865 282,7 −
BN 0,362 328,5 0,554 548,3 −
B4C 0,560 280,0 0,593 562,0 −
Nb 0,165 39,6 0,912 103,0 169
NbC 0,442 198,2 0,673 432,4 −
Ta 0,330 69,4 0,807 169,1 180
TaB2 0,308 221,0 0,649 388,0 −
TaC 0,440 215,8 0,716 500,0 −
Hf 0,160 30,4 0,931 79,0 167
HfB2 0,314 228,0 0,643 403,1 −
HfC 0,464 221,3 0,642 465,7 −
W 0,330 160,4 0,718 328,2 435
WC 0,290 280,0 0,593 424,0 −
WSi2 0,322 106,0 0,794 336,0 −
Cr 0,228 71,6 0,851 154,8 110; 117
CrN 0,416 99,1 0,805 254,0 −
Cr3Si 0,454 161,5 0,717 378,0 −
CrB2 0,297 106,0 0,759 210,4 −
Cr3C2 0,300 98,0 0,807 209,1 −
Zr 0,162 34,3 0,923 90,0 128
ZrB2 0,317 221,2 0,649 397,0 −
ZrC 0,468 161,8 0,716 381,4 −
ZrN 0,457 156,0 0,724 369,0 −
ZrSi2 0,372 107,9 0,791 260,0 −
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2011, Т. 14, № 5 71
Структура перехідної зони зразків серійного типу (зразки 1 і 2) сформована перева-
жно з фази γ-Cu з графітовими включеннями та фази Ni3Sn (див. рис. 2, а, б), що є
причиноюїї викрашування та руйнування по механізму інтенсивного розтріскування. Вве-
дення до складу вихідної шихти добавок TiB2 (зразок 5) і WC (зразок 6) не приводить до
утворення нових фаз та не спричиняє поліпшення структури (див. рис. 2, д, е). Проте в стру-
ктурі перехідної зони алмаз–матриця зразків 3 і 4 , які містять у складі вихідних речовин до-
бавки CrB2, виявлено утворення прошарків Cr3C2 та Fe3C, товщина яких знаходиться в інтер-
валі від 5 до 20 нм (див. рис. 2, в, г), що спричинило зневуглецювання з одночасним поліп-
шенням структури КАМ. Така ситуація обумовлена дифузією атомів вуглецю, які утворили-
ся при частковій графітизації алмазів на етапі вільного спікання, в кристалічну решітку CrB2
та α-Fe, що було передбачено під час розрахунку енергії, необхідної для входження атома
вуглецю в кристалічну решітку матриці (див. табл. 1). Введення до складу вихідної шихти
добавок TiB2 (зразок 5) і WC (зразок 6) не привело до утворення нових фаз та поліпшення
структури КАМ (рис. 2, д, е). Це пов’язано із тим, що за таких умов одержання композицій
атоми вуглецю, які утворилися внаслідок часткової графітизації алмазів на етапі спікання в
муфельній печі, не можуть увійти в кристалічну решітку даних сполук. Для з’ясування при-
роди алмазоутримання та механізмів, які спричиняють поліпшення структури з одночасним
поліпшенням властивостей таких КАМ, необхідно знати умови (технологічні режими спі-
кання чи p-T-t умови) , які спричиняють це поліпшення в тій чи іншій системі.
У випадку підвищення тиску гарячої допресовки від 160 до 200 МПа в перехідній
зоні зразка 7 на відміну від зразків 3 і 4 виявлено карбідні прошарки Fe3C і Cr3C2 товщиною
від 5 до 40 нм та відсутність структурних недоліків різного типу, включаючи і графітові
включення (рис. 3, а). Характерною особливістю зразка 8, отриманого під час більшої трива-
лості процесу (3 хв) на відміну від зразка 7 є те, що мікроструктура перехідної зони майже
не розрізняється зернистістю (рис. 3, в, г). Механізм цих процесів обумовлений тим, що при
дозволених тиску та тривалості гарячої допресовки атоми вуглецю, які утворилися у разі
частковій графітизації алмазів на етапі вільного спікання, легко входять в кристалічну реші-
тку CrB2 та α-Fe. Це є причиною утворення таких прошарків та підвищення механічних вла-
а) б) в)
г) д) е)
Рис. 2. Електронно-мікроскопічні зображення перехідної зони алмаз-матриця зразків 1 (а), 2 (б),
3 (в), 4 (г), 5 (д) і 6 (е), отриманих вільним спіканням в середовищі водню за температури 800 °С
протягом години з наступною гарячою допресовкою при тиску 160 МПа на протязі 2 хв
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2011, Т. 14, № 5 72
стивостей КАМ, що було передбачено під час розрахунку енергії, необхідної для входження
атома вуглецю в кристалічну решітку складової матриці.
Результати визначення мікротвердості, міцності на згинання та стискання зразків
КАМ 1 – 8 подано в табл. 2. Ці результати наочно демонструють, що введення дибориду
хрому до складу шихти алмаз−51%Fe-32%Cu-9%Ni-8%Sn та оптимізація технологічних ре-
жимів гарячої допресовки поліпшує показники механічних властивостей КАМ.
Таблиця 2. Механічні властивості зразків КАМ, отриманих гарячим пресування
HKN під час навантаження 4,91H, ГПаЗра-
зок
Тиск,
МПа
Тривалість
гарячої допре-
совки, хв
Світлі
фази
Змішані
фази
Темні
фази
Міцність на
стискання
σс, МПа
Міцність на
згинання
σз, МПа
1 160 2 1,90 2,00 2,20 620 610
2 160 2 1,93 2,16 2,36 690 630
3 160 2 2,44 2,76 2,92 700 640
4 160 2 2,50 2,82 3,46 716 651
5 160 2 2,04 2,10 2,32 610 600
6 160 3 2,00 2,12 2,30 626 598
7 200 2 2,80 3,03 3,98 780 635
8 200 З 2,92 3,48 4,12 840 620
а) б)
в) г)
Рис. 3. Електронно-мікроскопічні зображення перехідної зони алмаз-матриця зразків 7 (а) і 8 (б)
і типове зображення поверхні матриці в оточенні алмазного зерна для зразків 7 (в) і 8 (г):
р = 200 МПа, t = 2 хв. (а); р = 200 МПа, t = 3 хв. (б)
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2011, Т. 14, № 5 73
Так, введення дибориду хрому при гарячому пресуванні зразка 3 і 4 порівняно зі зра-
зками 1 і 2, отриманих на основі вихідної шихти алмаз−51%Fe-32%Cu-9%Ni-8%Sn при од-
накових тиску (160 МПа) та тривалості процесу (2 хв), підвищує мікротвердість м’яких фаз з
1, 90−1,93 до 2,44−2,50 ГПа. При цьому спостерігається підвищення значень мікротвердості
для змішаних і темних фаз та суттєве підвищення міцності на стиск з ~620 до ~700 МПа, а
на згин − 610 до 651 МПа. У разі підвищення тиску від 160 до 200 МПа мікротвердість світ-
лих, змішаних і темних фаз та міцність на стиск для зразків 7 і 8 продовжують зростати.
Підвищення показників механічних характеристик у зразках 3, 4, 7 і 8 у порівнянні зі зраз-
ками 1, 2, 5 і 6 раз означає, що взаємодія елементів під час одержання КАМ відбувається по-
різному, і передусім, залежить як від складу вихідних речовин, так і технологічних режимів
спікання і по-різному впливає на процеси структуроутворення та фізико-механічні власти-
вості таких композитів.
5. Промислові випробування
Галузь практичного використання одержаних в роботі результатів − алмазні відрізні
сегментні круги (АВСК) для каменеобробної промисловості та алмазні коронки для буріння
свердловин. Об’єктами промислового випробування, впровадження та вдосконалення складу
і технології виробництва були АВСК 320 АС 160 Т 400/315, оснащені КАМ на основі шихти
Алмаз−51%Fe-32%Cu-9%Ni-8%Sn (1) і шихти Алмаз−97%Co-3%Sn (2) серійного виробниц-
тва, та дослідний АВСК 320, який було виготовлено на основі вихідної шихти Ал-
маз−51%Fe-32%Cu-9%Ni-8%Sn з добавкою CrB2 в малій кількості порівняно з основними
складовими шихти − круг (3). Промислові випробування цих інструментів проведено під час
розпилювання гранітних плит Капустянського родовища на стаціонарному верстаті Breton
FR 800 на фірмі ООО «Інстех». Порівняльні результати показали, що зносостійкість АВСК
(3) з розроблених КАМ в два рази перевищує аналогічний параметр серійних інструментів
(1) і в 1,3 рази−(2). Також на основі створених КАМ типу (3) були виготовлені дослідні зраз-
ки алмазних коронок діаметром 76 мм і проведені їх виробничі випробування під час бурін-
ня свердловин в гранітах VIII−X категорій по буримості на Київській геологорозвідувальній
експедиції. Результати цих випробувань показали, що за стійкістю дослідна коронка, яка не
містить у складі вихідної шихти твердого сплаву, мала такі самі показники, як і серійна ко-
ронка БС01, що містить у шихті переважно твердий сплав, а за швидкістю буріння дещо пе-
ревищує. Таким чином, результати роботи дослідних інструментів свідчать про ефективність
розроблених КАМ та конкурентоспроможність інструментів на їх основі.
Таким чином, на основі проведених досліджень встановлено явний зв’язок енергії,
необхідної для вбудування атомів вуглецю в кристалічну решітку складових матриці, зі
структурою і властивостями КАМ на металевих зв’язках, що вміщують залізо, мідь, нікель і
олово. Вона може служити фізичним параметром для визначення добавок з ряду карбідів,
боридів, силіцидів і нітридів перехідних металів до складу вихідних речовин, які здатні за-
безпечити зневуглецювання в перехідній зоні алмаз−матриця з одночасним поліпшенням
структури та властивостей КАМ. Тому важливим для теорії і технології одержання КАМ із
заздалегідь заданими властивостями є з’ясування механізмів, які спричиняють поліпшення
їх структури та фізико-механічних властивостей. Дослідження процесів дифузії вуглецю в
залізо та усі ці сполуки може бути джерелом нових даних для теорії і технології КАМ ново-
го покоління.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2011, Т. 14, № 5 74
Висновки
1. З використанням фізичної моделі, запропонованої Мотом і Набарро, одержано ви-
раз для розрахунку енергії, необхідної для входження атома вуглецю в кристалічну решітку
карбідів, боридів, нітридів, силіцидів перехідних металів Ti, V,Cr Mo, Nb, Hf, Cr, W і Zr, а
також сполук кремнію, карбіду бору і нітриду бору, що дозволяє оцінити їх вклад на струк-
туру і фізико-механічні властивості КАМ системи Алмаз−Fe-Cu-Ni-Sn в процесі їх одержан-
ня.
2. Досліджено вплив введення добавок TiB2, CrB2 і WC до складу вихідної шихти
Алмаз−51%Fe-32%Cu-9%Ni-8%Sn на структуру і зносостійкість КАМ, одержаних спіканням
в муфельній печі в середовищі водню за температури 800 °С протягом години з наступною
гарячою допресовкою за різних значень тиску та тривалості процесу.
3. Встановлено, що дозволене введення CrB2 до складу вихідної шихти та оптиміза-
ція технологічних режимів гарячої допресовки покращує структуру перехідної зони ал-
маз−матриця шляхом утворення в ній наноструктури з Cr3C2, Cr7C3 і Fe3C з одночасним під-
вищенням показників зносостійкості та експлуатаційних властивостей КАМ. Показано, що
аналогічне введення TiB2 і WC до складу вихідної шихти не покращує структуру і властиво-
сті КАМ у порівнянні з КАМ, виготовлених за промисловою технологією.
4. Показано можливості одержання КАМ на металевих матрицях, що вміщують залі-
зо, мідь, нікель, олово та домішки тугоплавких сполук, із заздалегідь заданими властивостя-
ми.
Література
1. Бондаренко Н. А. Основы создания алмазосодержащих композиционных материалов для породо-
разрушающих инструментов / Н. А. Бондаренко, А. Н. Жуковский, В. А. Мечник. Киев: Ин–т
сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2008. − 455 с.
2. Физико-математическое моделирование процессов спекания многокомпонентных алмазосодер-
жащих композиций. 2. Физико-химические особенности формирования структуры и свойств /
Н. В. Новиков, Н. А. Бондаренко, О. Г. Кулик и др. // Физическая мезомеханика. – 2004. – Т. 7,
№ 3. – С. 79–87.
3. Формирование структуры и свойств сверхтвердых композиционных алмазосодержащих материа-
лов / Н. В. Новиков, В. А. Мечник, А. Н. Жуковский и др. // Доп. НАН України. − 2003. − № 11. −
С. 88−90.
4. Мечник В. А. Энергетические аспекты эффекта улучшения структуры сверхтвердых материалов.
Система алмаз−(Fe+Cu+Ni+Sn) / В. А. Мечник // Пробл. машиностроения. – 2007. – Т. 10, № 3. –
С. 87–93.
5. Бондаренко М. О. Вплив технологічних режимів гарячої допресовки на структуру і властивості
композитів Алмаз−Fe-Cu-Ni-Sn для породоруйнівних інструментів / М. О. Бондаренко, В. А. Меч-
ник // Наук. пр. ДонНТУ. Сер. Гірничо-геологічна. 2011. − Вип. 14 (181). − С. 143−149.
6. Бондаренко Н. А. О природе повышенного алмазоудержания в композитах Алмаз−Fe-Cu-Ni-Sn,
полученных комбинированным методом Мечник // Породоразрушающий и металлообрабатываю-
щий инструмент–техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. – Вып. 14. –
Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2011. – С. 327–334.
7. Бондаренко Н. А. Закономерности формирования микро- и нанонеоднородностей в переходной
зоне алмаз – матрица и их влияние на механические свойства композитов алмаз–Fe- Cu- Ni- Sn-
CrB2 / М. О. Бондаренко, В. А. Мечник // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инст-
румент–техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. – Вып. 14. – Киев:
ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2011. – С. 327–334.
8. Механізми масопереносу і структуроутворення в алмазовмісній системі при наявності енергетич-
них бар’єрів / М. О. Бондаренко, В. А. Мечник, О. О. Куракевич и др. // Фізика і хімія твердого ті-
ла. − 2011.− Т. 12, № 2. − С. 301 − 310.
9. Дж. Кристиан. Теория превращений в металах и сплавах: Ч. 1. Термодинамика и общая кинетиче-
ская теория / Под. ред. А. Л. Ройтбурда. − М.: Мир, 1978. − 806с.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ
ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2011, Т. 14, № 5 75
10. Лариков Л. Н. Структура и свойства металлов и сплавов / Л. Н. Лариков, В. И. Исайчев. – Киев:
Наук. думка. – 1987. – 510 с.
11. Францевич И. Н. Упругие постоянные и модули упругости металлов и неметаллов : Справ /
И. Н. Францевич, Ф. Ф. Воронов, С. А. Бакута. – Киев: Наукова думка, 1982. – 227 с.
12. Смирнов А. А. Молекулярно-кинетическая теория металлов / А. А. Смирнов. − М.: Наука, 1966. −
488 с.
13. Герцрикен С. Д. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе / С. Д. Герцрикен, И. Я. Дегтяр. −
М. :Физматгиз, 1960. − 564 с.
Поступила в редакцию
01.09.11
|