Особливості структури полікристалів кубічного BN, одержаних прямим конверсійним спіканням
Вивчено особливості структури полікристалів кубічного нітриду бору (ПcBN), отриманих прямим конверсійним спіканням (ПКС) порошкових і масивних CVD матеріалів графітоподібного BN при тисках 7,7 і 10,5 ГПа у температурному діапазоні 1300–2600 градусів С. Показано, що при тиску р = 10,5 ГПа і температу...
Збережено в:
| Дата: | 2017 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2017
|
| Назва видання: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134504 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Особливості структури полікристалів кубічного BN, одержаних прямим конверсійним спіканням / І.А. Петруша, В.З. Туркевич, О.С. Осіпов, О.М. Соколов, Т.І. Смірнова, Д.А. Стратійчук, К.В. Сліпченко, В.М. Ткач, В.М. Бушля, Н.М. Білявина, А.Ю. Ошовська // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2017. — Вип. 20. — С. 191-204. — Бібліогр.: 26 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-134504 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1345042025-02-23T18:24:44Z Особливості структури полікристалів кубічного BN, одержаних прямим конверсійним спіканням Structure peculiarities of cubic boron nitride polycrystals manufactured by direct conversion sintering Петруша, І.А. Туркевич, В.З. Осіпов, О.С. Соколов, О.М. Смірнова, Т.І. Стратійчук, Д.А. Сліпченко, К.В. Ткач, В.М. Бушля, В.М. Білявина, Н.М. Ошовська, А.Ю. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Вивчено особливості структури полікристалів кубічного нітриду бору (ПcBN), отриманих прямим конверсійним спіканням (ПКС) порошкових і масивних CVD матеріалів графітоподібного BN при тисках 7,7 і 10,5 ГПа у температурному діапазоні 1300–2600 градусів С. Показано, що при тиску р = 10,5 ГПа і температурі T = 2200–2300 градусів С утворюється полікристалічна структура cBN без залишкової материнської фази незалежно від її генезису і специфіки структурного стану. З подальшим підвищенням температури до 2250–2600 градусів С структурні зміни ПcBN зумовлені розвитком рекристалізації. Наведено градацію структурних станів полікристалів за розмірами зерен у діапазоні 0,01–100 мкм. Изучены особенности структуры поликристаллов кубического нитрида бора (ПcBN), полученных прямым конверсионным спеканием (ПКС) порошковых и массивных CVD материалов графитоподобного BN при высоком давлении 7,7 и 10,5 ГПа в температурном диапазоне 1300–2600 градусов С. Показано, что при р = 10,5 ГПа и T = 2200–2300 градусов С образуется поликристаллическая структура cBN без остаточной материнской фазы независимо от ее генезиса и специфики структурного состояния. При дальнейшем повышении температуры в диапазоне 2250–2600 градусов С структурные изменения ПcBN обусловлены развитием рекристаллизации. Приведена градация структурных состояний ПcBN, отличающихся размерами зерен в диапазоне 0,01–100 мкм. The structure peculiarities of cubic boron nitride polycrystals (PCBN) manufactured by direct conversion sintering (DCS) of powdery and massive CVD graphite-like BN materials at high pressure of 7.7 and 10.5 GPa in the temperature range 1300–2600 degrees C have been studied. It is shown that at 10.5 GPa and 2200-2300 degrees C a polycrystalline structure of cBN is formed without a residual maternal phase, regardless of its genesis and the specific structural state. With further temperature increasing in the range of 2250–2600 degrees C the structural changes of PcBN are caused by the recrystallization. The gradation of the structural states of PcBN dependent on grain sizes in the range 0.01-100 μm has been given. 2017 Article Особливості структури полікристалів кубічного BN, одержаних прямим конверсійним спіканням / І.А. Петруша, В.З. Туркевич, О.С. Осіпов, О.М. Соколов, Т.І. Смірнова, Д.А. Стратійчук, К.В. Сліпченко, В.М. Ткач, В.М. Бушля, Н.М. Білявина, А.Ю. Ошовська // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2017. — Вип. 20. — С. 191-204. — Бібліогр.: 26 назв. — укр. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134504 536.421.1:620.187:661.057.5 uk Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| spellingShingle |
Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Петруша, І.А. Туркевич, В.З. Осіпов, О.С. Соколов, О.М. Смірнова, Т.І. Стратійчук, Д.А. Сліпченко, К.В. Ткач, В.М. Бушля, В.М. Білявина, Н.М. Ошовська, А.Ю. Особливості структури полікристалів кубічного BN, одержаних прямим конверсійним спіканням Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description |
Вивчено особливості структури полікристалів кубічного нітриду бору (ПcBN), отриманих прямим конверсійним спіканням (ПКС) порошкових і масивних CVD матеріалів графітоподібного BN при тисках 7,7 і 10,5 ГПа у температурному діапазоні 1300–2600 градусів С. Показано, що при тиску р = 10,5 ГПа і температурі T = 2200–2300 градусів С утворюється полікристалічна структура cBN без залишкової материнської фази незалежно від її генезису і специфіки структурного стану. З подальшим підвищенням температури до 2250–2600 градусів С структурні зміни ПcBN зумовлені розвитком рекристалізації. Наведено градацію структурних станів полікристалів за розмірами зерен у діапазоні 0,01–100 мкм. |
| format |
Article |
| author |
Петруша, І.А. Туркевич, В.З. Осіпов, О.С. Соколов, О.М. Смірнова, Т.І. Стратійчук, Д.А. Сліпченко, К.В. Ткач, В.М. Бушля, В.М. Білявина, Н.М. Ошовська, А.Ю. |
| author_facet |
Петруша, І.А. Туркевич, В.З. Осіпов, О.С. Соколов, О.М. Смірнова, Т.І. Стратійчук, Д.А. Сліпченко, К.В. Ткач, В.М. Бушля, В.М. Білявина, Н.М. Ошовська, А.Ю. |
| author_sort |
Петруша, І.А. |
| title |
Особливості структури полікристалів кубічного BN, одержаних прямим конверсійним спіканням |
| title_short |
Особливості структури полікристалів кубічного BN, одержаних прямим конверсійним спіканням |
| title_full |
Особливості структури полікристалів кубічного BN, одержаних прямим конверсійним спіканням |
| title_fullStr |
Особливості структури полікристалів кубічного BN, одержаних прямим конверсійним спіканням |
| title_full_unstemmed |
Особливості структури полікристалів кубічного BN, одержаних прямим конверсійним спіканням |
| title_sort |
особливості структури полікристалів кубічного bn, одержаних прямим конверсійним спіканням |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| publishDate |
2017 |
| topic_facet |
Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134504 |
| citation_txt |
Особливості структури полікристалів кубічного BN, одержаних прямим конверсійним спіканням / І.А. Петруша, В.З. Туркевич, О.С. Осіпов, О.М. Соколов, Т.І. Смірнова, Д.А. Стратійчук, К.В. Сліпченко, В.М. Ткач, В.М. Бушля, Н.М. Білявина, А.Ю. Ошовська // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2017. — Вип. 20. — С. 191-204. — Бібліогр.: 26 назв. — укр. |
| series |
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| work_keys_str_mv |
AT petrušaía osoblivostístrukturipolíkristalívkubíčnogobnoderžanihprâmimkonversíjnimspíkannâm AT turkevičvz osoblivostístrukturipolíkristalívkubíčnogobnoderžanihprâmimkonversíjnimspíkannâm AT osípovos osoblivostístrukturipolíkristalívkubíčnogobnoderžanihprâmimkonversíjnimspíkannâm AT sokolovom osoblivostístrukturipolíkristalívkubíčnogobnoderžanihprâmimkonversíjnimspíkannâm AT smírnovatí osoblivostístrukturipolíkristalívkubíčnogobnoderžanihprâmimkonversíjnimspíkannâm AT stratíjčukda osoblivostístrukturipolíkristalívkubíčnogobnoderžanihprâmimkonversíjnimspíkannâm AT slípčenkokv osoblivostístrukturipolíkristalívkubíčnogobnoderžanihprâmimkonversíjnimspíkannâm AT tkačvm osoblivostístrukturipolíkristalívkubíčnogobnoderžanihprâmimkonversíjnimspíkannâm AT bušlâvm osoblivostístrukturipolíkristalívkubíčnogobnoderžanihprâmimkonversíjnimspíkannâm AT bílâvinanm osoblivostístrukturipolíkristalívkubíčnogobnoderžanihprâmimkonversíjnimspíkannâm AT ošovsʹkaaû osoblivostístrukturipolíkristalívkubíčnogobnoderžanihprâmimkonversíjnimspíkannâm AT petrušaía structurepeculiaritiesofcubicboronnitridepolycrystalsmanufacturedbydirectconversionsintering AT turkevičvz structurepeculiaritiesofcubicboronnitridepolycrystalsmanufacturedbydirectconversionsintering AT osípovos structurepeculiaritiesofcubicboronnitridepolycrystalsmanufacturedbydirectconversionsintering AT sokolovom structurepeculiaritiesofcubicboronnitridepolycrystalsmanufacturedbydirectconversionsintering AT smírnovatí structurepeculiaritiesofcubicboronnitridepolycrystalsmanufacturedbydirectconversionsintering AT stratíjčukda structurepeculiaritiesofcubicboronnitridepolycrystalsmanufacturedbydirectconversionsintering AT slípčenkokv structurepeculiaritiesofcubicboronnitridepolycrystalsmanufacturedbydirectconversionsintering AT tkačvm structurepeculiaritiesofcubicboronnitridepolycrystalsmanufacturedbydirectconversionsintering AT bušlâvm structurepeculiaritiesofcubicboronnitridepolycrystalsmanufacturedbydirectconversionsintering AT bílâvinanm structurepeculiaritiesofcubicboronnitridepolycrystalsmanufacturedbydirectconversionsintering AT ošovsʹkaaû structurepeculiaritiesofcubicboronnitridepolycrystalsmanufacturedbydirectconversionsintering |
| first_indexed |
2025-11-24T09:14:35Z |
| last_indexed |
2025-11-24T09:14:35Z |
| _version_ |
1849662557714907136 |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
191
УДК 536.421.1:620.187:661.057.5
І. А. Петруша, д-р техн. наук, В. З. Туркевич, чл.-кор. НАН України,
О. С. Осіпов, О. М. Соколов, Т. І. Смірнова, Д. А. Стратійчук, кандидати технічних наук,
К. В. Сліпченко, В. М. Ткач, д-р фіз.-мат. наук; 1 В. М. Бушля2, канд. техн. наук;
Н. М. Білявина3, канд. фіз.-мат. наук; А. Ю. Ошовська4
1Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ
2Лундський університет, Швеція
3Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Україна
4Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені
Ігоря Сікорського», м. Київ
ОСОБЛИВОСТІ СТРУКТУРИ ПОЛІКРИСТАЛІВ КУБІЧНОГО BN, ОДЕРЖАНИХ
ПРЯМИМ КОНВЕРСІЙНИМ СПІКАННЯМ
Вивчено особливості структури полікристалів кубічного нітриду бору (ПcBN), отриманих
прямим конверсійним спіканням (ПКС) порошкових і масивних CVD матеріалів графітоподібного BN
при тисках 7,7 і 10,5 ГПа у температурному діапазоні 1300–2600 С. Показано, що при тиску
р0 10,5 ГПа і температурі T 2200–2300 С утворюється полікристалічна структура cBN без
залишкової материнської фази незалежно від її генезису і специфіки структурного стану. З
подальшим підвищенням температури до 2250–2600 С структурні зміни ПcBN зумовлені розвитком
рекристалізації. Наведено градацію структурних станів полікристалів за розмірами зерен у діапазоні
0,01–100 мкм.
Ключoві слова: гексагональний графітоподібний нітрид бору, високий тиск, конверсійне
спікання, кубічний нітрид бору, полікристал, структура.
Вступ
У практичному плані значущим досягненням останніх років у сфері алмазних
технологій, безумовно, є одержання нанокристалічного алмазу (NPD) японськими
дослідниками [1]. Високочисті компакти з графіту (вміст вуглецю не менше 99,99 мас. %)
перетворювали на NPD шляхом прямої твердофазної трансформації, в іншому випадку –
прямого конверсійного спікання (ПКС) за екстремально високих параметрів термобаричної дії
(р 16–17 ГПа; Т 22002300 С; t 20 хв). Для створення високого тиску і високої
температури використовували двоступеневий багатопуансонний апарат типу Kawai.
Зауважимо, що розмір зерен у структурі NPD в результаті збиральної рекристалізації
збільшувався лише за температури понад 2700 С.
Найбільш вражаючим результатом виконаних досліджень було встановлення наявного
факту надзвичайно високої жароміцності NPD. Так, міцність при згині (TRS) становила
3 ГПа навіть за температури 1200 С, вище якої міцність посилювалась на схилі зубу
плинності [1]. За цими показниками NPD кардинально перевищує комерційний стандарт
матеріалу PCD, що, безперечно, пов’язано з чистотою міжзеренних границь в ультра-
твердому нанокристалічному алмазі. Оптична прозорість матеріалу свідчила про гранично
високу густину та чистоту NPD.
H. Sumiya так само продемонстрував залежності TRS від температури для
полікристалічного cBN високої чистоти порівняно з комерційно доступним матеріалом PсBN
зі зв’язкою [1]. Полікристалічний матеріал без зв’язки (BL-cBN), так само синтезували
Выпуск 20. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
192
методом ПКС з компактованого до густини 1,75 г/см3 високочистого порошку hBN, що містив
менше 0,03 мас. % домішки B2O3 [2]. Дослідники використовували модернізовану
конструкцію апарату високого тиску (АВТ) типу «белт» з метою досягнення підвищеного
тиску і підвищеної температури. Компакт hBN розміщували в танталовій капсулі комірки
високого тиску (КВТ). Перетворення hBNcBN вивчали за тиску р 7,7 ГПа в
температурному діапазоні Т 1900–2700 С, тривалість термобаричної обробки t 15 хв.
Розмір зерен у полікристалічних зразках cBN, одержаних при температурі нижче 2300 С, не
перевищував 0,5 мкм. При Т 2400 С зерна cBN зростали швидко, досягаючи 5 мкм і більше
у зразках, отриманих за температури 2700 С. Показано, що комерційний PcBN починає
втрачати міцність за температури понад 600 С, у той час як для чистого BL-cBN TRS зростала
майже вдвічі при нагріванні матеріалу до температури 1300 С [1].
Особливості структурних та фазових перетворень графітоподібного BN при ПКС
залежать від реальної структури і чистоти вихідних матеріалів. Японські вчені [3] порівнювали
поведінку зразків піролітичного (CVD) BN різного ступеня «графітизації» структури (густина
d 1,9–2,1 г/см3) з компактами висококристалічного hBN (d 1,8 г/см3), одержаними
пресуванням порошку з частинками розміром 1–3 мкм. Експерименти виконували в широкому
діапазоні параметрів термобаричної дії (р 8–20 ГПа, Т 1300–2400 С, t 20 хв) з
використанням багатопуансонного апарату типу Kawai. Одержані в результаті ПКС зразки BL-
PcBN діаметром 6–11 мм та товщиною 8–11 мм, успішно пройшли тестування при їх
використанні в різальному інструменті для прецизійного точіння загартованих сталей.
На суттєві розбіжності поведінки ущільненого до густини d 1,83 г/см3 компакту з
порошку кристалічного hBN (далі hBN(cr)), та піролітичного матеріалу (р-BN) з невпорядкованою
структурою (d 2 г/см3) звертали увагу й раніше після виконання аналогічних експериментів з
використанням АВТ типу «тороїд» (р 7,7 ГПа; Т 1000–1900 С; t 40 с) [4]. Розвиток процесу
ПКС у hBN(cr) з підвищенням температури до 1900 С включав етапи утворення проміжної
вюртцитної структури (wBN): hBN(МП б-б)wBN(ПП б-б)сBN, де в дужках позначено
МП б-б мартенситне перетворення типу базис-базис (гофрування шарів гексагонів hBN); ПП б-
б – пошарове перебудування зі зберіганням текстури в межах частинок hBN (розмноження
політипних дефектів упакування у структурі wBN). У разі р-BN ПКС відбувається послідовно: р-
BN(УС)hBN(МП б-б)wBN (віртуально)(ПП б-б)сBN, де УС – упорядкування
структури, результатом якого є утворення hBN. Швидке перетворення wBNсBN, детерміноване
як віртуальність стану wBN, зумовлене відсутністю термічної стійкості структури
метастабільного wBN за температури понад 1600 С [5].
Дослідники [4] дійшли також висновку, що р-BN має вищу термічну стабільність щодо
структурних і фазових змін порівняно з hBN(cr). Монофазний продукт cBN при ПКС р-BN не
утворювався навіть за максимальної температури експерименту. Так, за 40 с термобаричної дії
при температурі Т 1900 С ступінь конверсії р-BNcBN становить лише 87,8 об. %.
Високий рівень термічної стійкості р-BN в області термодинамічної метастабільності
пов’язаний з неможливістю кооперативних мартенситних перебудов через невпорядкованість
вихідної мезографітної структури. Разом з тим, реконструктивні механізми не діють через
слабку дифузійну рухливість атомів при температурі Т 1900 С. Імовірність каталітичних
ефектів за вмісту домішок і флюїдних фаз, що можуть впливати на швидкість ПКС, так само
зведена до мінімуму у високочистому вихідному матеріалі.
Пропонована робота фактично є продовженням дослідження [4], що передбачає
вивчення ПКС як у температурному діапазоні Т 1300–1900 С (р 7,7 ГПа; t 40 с), так і
Т 2000–2600 С (р 10,5 ГПа; t 40 с). Характеризацію структур монофазного продукту
cBN виконували переважно для зразків, одержаних з вихідного р-BN. У разі hBN(cr)
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
193
експерименти у високотемпературній області обмежувались лише пошуком граничних
температур повного завершення ПКС з утворенням полікристалів cBN.
Вихідні матеріали та методика термобаричного експерименту
Порошки hBN(cr) виробництва Запорізького абразивного комбінату (ТУ 2-036-707-77)
використовували після термохімічного очищення до рівня вимог косметичного продукту (BN-
P Cosmetic Grade) у UK Abrasives Inc. (Industrrial Supply, Inc.). Густина насипної маси порошку
становила 0,4 г/см3. Вміст домішок O2, B2O3 і Fe у вихідному дисперсному продукті не
перевищував відповідно 0,05; 0,15 і 0,01 мас. %. Шляхом компактування у сталевій прес-формі
при тиску 0,4 ГПа одержували циліндричні зразки hBN(cr) густиною 1,85 г/см3 для
розміщення в комірці високого тиску (КВТ).
Вихідний р-BN поєднує синтетично структури різних рівнів організації на основі
композицій кристалічних та паракристалічних графітоподібних форм, що характерно для
методу хімічного газофазного осадження [6, 7]. Кристалічні компоненти утворені
модифікаціями як гексагонального hBN, так і ромбоедричного rBN. Паракристалічна
компонента включає пакети атомних сіток гексагонів з чергуванням ADAD, AAAA та з
турбостратним укладанням шарів (tBN). У роботі використано р-BN(1) з мезографітною
структурою на основі hBN і tBN. Інтервал розмірів кристалітів р-BN(1) у базисній площині
становив 5–80 нм і вздовж осі с – 5–50 нм; кристаліти розмежовані турбостратними
прошарками товщиною до 8 нм; значний об’єм матеріалу займали ділянки аморфізованого BN
[7]. Мармурово-подібні пластини р-BN(1) мали густину d 1,98 г/см3. При товщині пластин
1,5–2,2 мм матеріал непрозорий, але при інтенсивному білому підсвічуванні наявне прохідне
розсіяне світло, зазвичай жовтого кольору. За даними мас-спектрометрії сумарний вміст
домішок C, O, F, K, Mg, Mn, Al, Si, Ca, Cu, Fe у матеріалі становив 0,041 мас. %.
Окремі експерименти виконано з р-BN(2), густина якого досягала граничних значень
d 2,28 г/см3. У фазовому складі р-BN(2) домінувала ромбоедрична компонента rBN, вміст
якої становив 90 об. %. Матеріал на вигляд склоподібний блідого жовто-зеленого забарвлення,
мав значну прозорість при товщині пластини 1,5 мм. За даними мас-спектрометрії в цьому
матеріалі сумарний вміст мікродомішок, які так само спостерігались у р-BN(1), не
перевищував 0,011 мас. %.
У термобаричних експериментах застосовували тороїдальні системи АВТ (АВТТ-20 і
АВТТ-30), які експлуатували на пресовому устаткуванні моделі ДО-043. Тип складання КВТ
відповідав наведеному у [8]. Після створення у КВТ тиску 7,7 ГПа зразок розігрівали в
динамічному режимі за 15–20 с до температури 1300, 1600, 1750 і 1900 С з витримуванням 40
с на кожній з них та подальшим загартуванням структури швидким охолодженням (400 С/с)
до Т 30–50 С. Експерименти з ПКС за температури понад 2000 С виконували тільки в АВТТ-
20 при підвищеному тиску р 10,5 ГПа з метою придушення перколяційної активності
розплавів та флюїдів, що виникають у «гарячих» зонах деталей КВТ з пірофіліту та кальциту.
Вивчення морфологічних характеристик, фазовий і структурний аналізи вихідних
матеріалів і зразків після ПКС здійснювали методами електронної растрової мікроскопії
(СЕМ, мікроскопи Zeiss EVO 50 XVP, SEM – LEO 1560) та рентгенівської дифрактометрії
(РФА; устаткування STADI MP Stoe & Cie. Ltd., ДРОН-3м з камерою РКД-57,3).
Використовували як відфільтроване CuK-випромінювання з реєстрацією дифракційного
спектру в покроковому режимі через 0,015 з експозицією 10 с, так і невідфільтроване в разі
ДРОН-3м (реєстрація через 0,05 з експозицією 5 с).
У розрахунках співвідношень інтегральних інтенсивностей ліній щільних і
графітоподібних фаз BN враховували відбивну здатність відповідних кристалографічних
площин. Подрібнення зразків до порошкового стану фактично усереднювало концентрації фаз
в об’ємі зразка, що сприяло коректному співвіднесенню результатів із середньою
Выпуск 20. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
194
температурою ПКС з урахуванням температурних градієнтів у КВТ.
Результати досліджень та їх обговорення
Вихідні матеріали. За зовнішньою морфологією частинкам порошку hBN(cr)
притаманна лускоподібна кругляста форма (пластинчастий габітус). Їх розмір у базовій
площині становив 1–7 мкм при товщині 0,1–0,5 мкм (рис. 1, а).
а б
Рис. 1. Вихідний порошок hBN(cr): а – зовнішня морфологія частинок (зображення в
електронному мікроскопі Zeiss EVO 50 XVP); б – дифракційний рентгенівський спектр зразка
(дифрактометр STADI MP; геометрія Дебая–Шеррера, модифікована Гіньє на проходження)
Надзвичайно вузькі дифракційні піки свідчать про виняткову впорядкованість
структури hBN(cr). Ступінь тривимірного впорядкування графітоподібних шарів досягав
Р3 0,985 за визначенням [9, 10]. Зазначимо, що співвідношення інтенсивності відбиттів не
відповідають розрахунковим і спотворені через наявність текстури у зразку (рис. 1, б). В
аналізі рентгенівського дифракційного спектру розраховано періоди гратки hBN(cr), які
становили a 0,25037(1) нм, b 0,25037(1) нм і c 0,66551(5) нм (просторова група P63/mmc).
Об’єм елементарної комірки становив V 36,1277 Å3, d 2,281 г/см3.
Ступінь тривимірного впорядкування структури мезографітного р-BN(1) становив
0,26–0,28. Крім того для цього різновиду р-BN характерна відсутність переважних орієнтацій
структурних елементів, тобто структура повністю ізотропна. Для прозорого р-BN(2)
характерна необмежена текстура з віссю [001], перпендикулярною до площини осадження, та
кристалічний стан структури з Р3 0,86.
Пряме конверсійне спікання на етапі незавершених твердофазних перетворень. У разі
hBN(cr) внаслідок базисних зсувів гексагональних шарів в умовах термобаричної дії вихідна
кристалічна структура hBN дещо розупорядковується, на що вказує зменшення значення Р3 з
0,985 до 0,81 і 0,75 для температури відповідно 1300 і 1600 С. Формування кубічної
алмазоподібної структури починається з утворення невпорядкованої цільної фази BN, яка вже
після ПКС при температурі 1300 °С надійно фіксується у зразку і її вміст при цьому становить
11,5 об. %. Профіль і положення максимуму рентгенівського відбиття (знімання за геометрією
Брегго–Брентано), яке займає перехідне положення між позиціями інтенсивних піків 002w і 111c
BN, свідчать про те, що щільну фазу можна вважати гомогенно розупорядкованою вюртцитною
структурою (2Н, чергування щільноупакованих площин ааbbааbb) з вмістом політипних
дефектів упакування (ДУ) ааbbccааbbcc за типом сфалериту.
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
195
При підвищенням температури ПКС інтенсивність відбиття цільної фази посилюється,
форма піку стає симетричнішою, а положення його максимуму наближається до кута
2 43,32 , характерного для 111c (рис. 2). З позицій квазі-рівноважного термодинамічного
підходу перетворення hBNwBNcBN на першому етапі відповідає принципу
альтернативної метастабільної поведінки
(правило Оствальда [11]). Кооперативній
атермічній перебудові гратки hBN у гратку
wBN сприяє впорядкованість структури
hBN(cr) з високим Р3.
Зауважимо, що особливості структурних
і фазових змін у дисперсному hBN(cr) мають
багато спільного з поведінкою квазі-
монокристалу hBN –масивного матеріалу з
Р3 1, характер перетворень якого вивчали в
широкому температурному діапазоні при тиску
7,7 ГПа [12]. Зокрема, було показано, що wBN
формується за механізмом гофрування шарів
гексагонів hBN. Вюртцитна структура
успадковує від hBN високу концентрацію
політипних дефектів упакування, які утворюють
прошарки ааbbcc (сBN) у структурі wBN, що
сприяє подальшому перетворенню у сBN
шляхом пошарової перебудови.
За цими самими даними при температурі
1600 С розупорядкування щільної фази wBN
значно посилюється, її рефлекси на
електронограмах розмиваються і зникають на
фоні відповідного дифузійного тяжу.
Одночасно з’являються і підсилюються
рефлекси сBN. Така перебудова може
відбуватись бездифузійно шляхом генерування
деформаційних дефектів упакування (типу
виключення) за відносно невисокої
температури. Утворення невпорядкованого
cBN є результатом такої пошарової перебудови,
у процесі якої зберігаються розміри зерен і
текстура (одна з площин {111} cBN паралельна
базовій площині wBN).
При використанні hBN(cr) процес утворення cBN наближається до завершення при
температурі Т 1900 С (р 7,7 ГПа; t 40 с), але залишки стиснутої невпорядкованої
компоненти графітоподібного BN фіксували навіть після експерименту при температурі
2100 С, а її вміст оцінювався рівнем кількох десятих часток відсотка за об’ємом.
Пряме конверсійне спікання на етапі завершених фазових перетворень. Полікристали
cBN. Відомо, що при використанні технологічно прийнятних варіантів конструкцій КВТ
можливість отримання чистого матеріалу cBN шляхом високотемпературного ПКС
(р 7 8 ГПа) ускладнюється доволі різкою зміною динаміки проникаючої перколяції [13].
Рухомі компоненти інфільтруються у зразок з навколишнього середовища (перколяти на
основі пірофіліту та кальциту). Підвищення вихідного тиску до р 10,5 ГПа значно стабілізує
42 43 44 45
1900
1750
1600
002w
(42,74
o
)
111c (43,32
o
)
2, град
1300
o
C
Рис. 2. Зміна профілю і положення
максимуму рентгенівського відбиття
гомогенно розупорядкованої щільної фази
зразка в районі інтенсивних ліній 002w і
111c BN за підвищення температури ПКС
(p 7,7 ГПа) у разі використання
вихідного hBN(cr)
Выпуск 20. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
196
роботу КВТ. Крім того, з позицій одержання монофазної структури cBN потребується не
тільки підвищення температури ПКС, а й бажані більш високі тиски.
У разі вихідного hBN(cr) чистий полікристалічний матеріал cBN утворювався
починаючи з температури Т 2200 С (АВТТ-20; р 10,5 ГПа; t 40 с). Будь-які залишки
графітоподібної фази BN методом РФА не виявлялись. Одержані зразки мали форму циліндрів
діаметром і висотою відповідно до 8 і 4,5 мм (рис. 3, а).
а б
Рис. 3. Полікристали cBN, одержані методом ПКС з високочистих кристалічних порошків
hBN(cr): а – зовнішній вигляд зразків, вийнятих з КВТ; б – прозорість зразків при товщині
4,5 мм, що виявляється після хімічного очищення поверхні від графіту (зображення у
прохідному випромінюванні світлодіоду)
Аналогічні дослідження виконали T. Taniguchi та M. Akaishi зі співавторами з
використанням деоксидизованого висококристалічного hBN (вміст кисню 0,06–0,07 мас.
%) [14, 15]. Найбільший інтерес з наведених результатів становить відтворне одержання
прозорих полікристалів cBN (товщина зразка 0,7 мм) у результаті ПКС при температурі
2150 С (р 7 ГПа, але краще 7,7 ГПа; t 30 хв), яке реалізоване в модернізованій конструкції
АВТ типу «белт».
За нетривалої термобаричної обробки (t 40 с) прискорення ПКС, вочевидь, можливе
за рахунок підвищення параметрів інтенсивної дії, таких як температура і тиск. Так, за нашими
даними, прозорі полікристалічні матеріали
cBN при ПКС високочистих порошків hBN
одержані за 40 с р,Т-дії при р 10,5 ГПа і
T 2200–2300 С (рис. 3, б).
Прозорий полікристалічний cBN на
стадії завершення фазових перетворень так
само утворювався в експериментах при
використанні вихідного прозорого р-BN(2)
(рис. 4).
Особливості структурних і фазових
перетворень р-BN(2) з вмістом переважно
ромбоедричної фази rBN, детально вивчали
раніше порівняно з поведінкою масивного
кристалічного hBN при тиску р 7,7–8 ГПа
в температурному діапазоні T 20–2600 С [12, 16–18].
Рис. 4. Прозорий полікристалічний cBN
(товщина зразка 1,2 мм), одержаний з
високотекстурованого p-BN(2) на основі
rBN методом ПКС при тиску 8 ГПа і
температурі 2300 С (t 40 c)
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
197
І hBN, і rBN перетворюються кристалоорієнтовано, але за різними механізмами, з чим
пов’язані особливості структурного стану як wBN, так і залишкових графітоподібних фаз BN.
Одержаний з rBN вюртцитний BN термічно стабільніший, ніж wBN, утворений з hBN. Таким
чином, cBN отримувати легше при використанні hBN як вихідної графітоподібної структури.
Особливість структур усіх високотекстурованих полікристалів на основі щільних фаз
BN полягала у вмісті в них домішок залишкової графітоподібної фази, що зберігаються аж до
температури 2300 С (2–3 об. %) і зникають лише з початком дифузійних процесів
рекристалізації cBN. З підвищенням температури і ступеня перетворення у щільні фази rBN
поступово переходив до стиснутого стану, тоді як hBN, починаючи з температури 1400 С,
утворював дві компоненти – стиснуту і практично пружно недеформовану. Відповідно на
дифрактограмах спостерігались два максимуми лінії 002, що відповідають різній
міжплощинній відстані. Текстура в результаті рекристалізації руйнувалась тільки при дуже
високій температурі р,Т-обробки (2500 С), хоча процеси відпалу і зменшення дефектності
помітні вже при температурі 1500–2000 С.
Поведінка р-BN (1). На відміну від hBN(cr) у мезографітному р-BN(1) поява щільної
фази спостерігалась починаючи з 1600–1700 °С. Пряме конверсійне спікання
супроводжувалось частковим упорядкуванням мезографітної структури, що збігається з
даними [4]. Як зазначалось, при тиску р 7,7 ГПа температури T 1900 С недостатньо для
завершення ПКС з утворенням монофазного продукту cBN ( 87,8 об. %). З підвищенням
температури до T 2000 С при тиску р 10,5 ГПа (t 40 с) помітно збільшився ступінь
конверсії р-BN (1)cBN до 97,9 об. %. При цьому залишковий hBN перебував у стані
стиснутої графітоподібної компоненти з розупорядкованою структурою, яку позначимо
BN(gl-dis) (рис. 5).
Міжплощинна відстань вздовж гексагональної осі у BN(gl-dis) становить 0,315 нм,
що значно менше нормального значення (0,3331 нм) між шарами 002(h) нестиснутої
структури. «Затиснена» у високомодульній полікристалічній матриці сBN невпорядкована
фаза hBN часто виявляється у зразках після подібних термобаричних експериментів [19].
BN(gl-dis) зникає у матеріалі лише з початком активних дифузійних процесів. Практично
повне завершення трансформації досягалось лише при температурі T 2200 С.
Рис. 5. Завершальні стадії перетворення р-BN (1)cBN при p 10,5 ГПа (витримування 40
с): T 2000 С – неповне перетворення з наявністю в матриці cBN залишкової стиснутої
графітоподібної фази BN(gl-dis); T 2200 С – найінтенсивніші лінії проміжних фаз 002h та
100w повністю зникли; T 2300 С – утворення монофазного продукту cBN з ізотропною
полікристалічною структурою
20 30 40 50 60
р-BN (1)
(~ 2,1 об. % )
стиснутий BN(gl-dis)
p
0
10,5 ГПа
I (2
Cu K, 2град
002 (h)
2000
2200
2300 оС
100 (w)
111 (c) 002 (c)
≈
≈
Выпуск 20. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
198
Мікроструктура полікристалічних матеріалів cBN, одержаних в умовах
високотемпературного ПКС. Використання вихідного р-BN(1) актуальне щодо можливості
одержання полікристалічного cBN з високочистою ізотропною структурою (ПcBN). Як
встановлено, твердофазне перетворення р-BN(1)cBN повністю завершується внаслідок
активізації дифузійних механізмів ПКС (T 2200 С; p 10,5 ГПа; t 40 с). Зазначимо, що
гранична температура утворення монофазного продукту cBN при ПКС практично не залежить
від тиску, що підтверджується результатами експериментів in situ, виконаних до 20 ГПа [20].
З підвищенням температури ПcBN зазнає еволюційних структурних змін через розвиток
процесів рекристалізації. Зеренна структура з внутрішніми границями рекристалізаційного
походження формується в суцільному безперервному середовищі за відсутності вільних
поверхонь. Існує припущення, що р-BN(1) у процесі ПКС спочатку утворює надзвичайно
нестійку квазіаморфну структуру cBN, в якій ще на етапах незавершеної конверсії відбувається
«низькотемпературна» стадія рекристалізації. Рушійна сила процесу визначається спільною
дією зовнішнього навантаження і фазового наклепу. Квазіаморфна структура через
нанокристалічний стан швидко трансформується у стійкішу субмікрокристалічну структуру на
стадії завершеного перетворення р-BN(1)cBN при температурі T 2200–2300 С, а потім у
дрібно- і грубозернисту за вищої температури (див. таблицю).
Зауважимо, що нанорозмірний ПcBN включає також термодинамічно особливі
наноструктурні стани [20]. Наноструктурні області існують тільки в оточенні квазіаморфних
прошарків, що характеризуються додатним знаком потенціалу Гіббса (F) [21]. Специфіка
термодинамічного стану наноструктурних матеріалів, що пов’язана з наближенням їх
потенціалу до нульового рівня і виникненням передперехідних квазіаморфних станів,
обумовлює добре відому аномалію поведінки параметрів рівняння Холла–Петча при розмірах
нанозерен d 40 нм за даними [20], або так само при d 100 нм за даними [22] (падіння
твердості ПcBN(нр)).
Зеренна структура ПcBN, що формується при ПКС p-BN(1)
з підвищенням температури спікання (p0 10,5 ГПа; t 40 с)
Структурний стан
ПcBN
Приблизний
температурний
діапазон ПКС, С
Масштабний стан ПcBN
за розміром зерна d, мкм
ПcBN(ка) –
квазіаморфний 1700–1900
Практично не досліджено
(припускається існування)
ПcBN(нр) –
нанорозмірний
(нанокристалічний)
2000–2200
0,01–0,1
(одержано у спеціальних
експериментах [20])
ПcBN(смк) –
субмікрокристалічний 2200–2300 0,1–1
(первинна рекристалізація)
ПcBN(дз) –дрібнозернистий 2350–2450 1–10
(нормальна рекристалізація)
ПcBN(гз) –
грубозернистий 2500
10–100
(динамічна рекристалізація)
Зафіксувати експериментально структури ПcBN(ка) і ПcBN(нр), особливо першу,
неможливо через їх віртуальність, пов’язану зі значною нетривкістю їх стану в області
структурно-фазового переходу (ка)(нр), де F 0. Останні три структури ПcBN(смк, дз, гз)
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
199
надійно ідентифікували методами електронної мікроскопії.
Особливості структури ПcBN(смк). Полікристалічні матеріали ПcBN(смк, дз, гз),
одержані з p-tBN(1) у високотемпературному діапазоні ПКС (p 10,5 ГПа; t 40 с),
відображають різні стадії збиральної рекристалізації. Так, при температурі T 2250 С
формується структура ПcBN(смк) із зернами розміром d 0,10,4 мкм (рис. 6, а, б).
Густина ПcBN(смк) становить 3,476 г/см3, що відповідає пористості 0,46 %. Це доволі
умовно, оскільки зменшення густини, ймовірно, пов’язане з величезною площею поверхні
міжзеренних границь, що «розрихляють» структуру. У світлопольному зображенні оптичного
мікроскопу поверхня зламу матеріалу виглядає дзеркально гладкою склоподібною. У товстих
шарах зразок непрозорий. Значна прозорість з’являється лише в тонких аншліфах (50100
мкм) з полірованими поверхнями.
Особливості структури ПcBN(дз). При температурі T 2400 С (р 10,5 ГПа) за
однакової тривалості ПКС розміри зерен десятикратно збільшуються до d 14 мкм, тобто за
структурним рівнем матеріал відповідає ПcBN(дз) (див. таблицю). Дрібнозерниста структура
полікристалів в основному однорідна і складається з ізометричних кутастих зерен (рис. 6, в).
У полірованих аншліфах товщиною 100300 мкм спостерігається оптична прозорість
структури ПcBN(дз) із забарвленням матеріалу в червонуватий, оранжевий до жовтого
кольори. Структуру ПcBN(дз) з огляду на відсутність фізичного розмиття профілю ліній 002с
і 004с можна вважати еталоном досконалої структури cBN.
а б
в г
Рис. 6. Структурні стани полікристалів cBN, одержаних ПКС з р-BN(1) (p0 10,5 ГПа,
t 40 с) при різній температурі за результатами ЕМ досліджень: а, б T 2250 С,
морфологія поверхні поперечного зламу ПcBN(смк); в T 2400 С, формування ПcBN(дз) із
зернами розміром 1–4 мкм; г – T 2550 С, утворення ПcBN(гз) при інтенсивній збиральній
рекристалізації – компіляція оптичного і ЕМ зображення (вставка)
Выпуск 20. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
200
Особливості структури ПcBN(гз). Грубозерниста структура ПcBN(гз) формується на
етапах інтенсивної збиральної рекристалізації. Так, при температурі T 2550 С (р 10,5 ГПа;
t 40 с) спостерігалось приблизно 100-кратне збільшення середнього розміру зерен порівняно
зі структурою зразка ПcBN(смк), одержаного при температурі T 2250 С. За даними ПЕМ
зерна різняться як розмірами, так і морфологією. Близько 70 % об’єму становлять матричні
зерна розміром 20–30 мкм. Між ними часто спостерігаються дрібніші зерна розміром 35 мкм.
В обох випадках зерна мають як рівновісну форму, так і різко виражену кутасту. Фіксуються
також дисперсні зерна розміром 0,1–1 мкм переважно рівновісної форми, які розташовані у
стиках великих матричних зерен. Середній розмір зерен, розрахований приблизно як
середньозважене значення, становить ~ 20 мкм. Густина ПcBN(гз), як і у ПcBN(дз),
наближається до теоретичної. Відповідно незначна пористість П 0,5 %, найімовірніше,
зумовлена дисперсним пороутворенням на границях.
Формування масивних двійників на непаралельних площинах типу {111} cBN і
пороутворення характерні для розвитку збиральної рекристалізації. Мікропори мають кутасту
форму, що є діагностичною
ознакою повзучості за механізмом
міжзеренного прослизання (рис. 7).
Наявність дисперсних
зерен, розташованих у стиках
зерен і приграничних зонах, а
також вміст у зернах фрагментів
різного ступеня дезорієнтації,
засвідчують, що збиральна
рекристалізація в умовах
повзучості супроводжується
розвитком первинної
рекристалізації.
Додатково слід зазначити,
що у зразках ПcBN(гз)
спостерігалось, як правило, слабке
фізичне розмиття профілю
дифракційних ліній, пов’язане зі
зменшенням розмірів областей
когерентного розсіяння,
незважаючи на загальну
тенденцію до збільшення розміру зерен. Ця обставина свідчить про динамічний характер
рекристалізації в умовах p,T-дії і те, що визрівання Оствальда в умовах повзучості
супроводжується розвитком первинної рекристалізації. Іноді у зразках ПcBN(гз) фіксується
незначна кількість графітоподібної фази BN, поява якої, ймовірно, супроводжує процес
дисперсного пороутворення. У дослідженнях методами ПЕМ м’який hBN частково або
повністю видаляється зі зразка при препаруванні тонких зрізів шляхом механічно-абразивної
обробки та іонного травлення.
Неоднорідність структури cBN(гз). При одержанні ПcBN(гз) в умовах гранично
високої температури ПКС зеренна структура полікристалів доволі часто виявляється
неоднорідною в результаті суттєво різної швидкості визрівання в різних зонах зразка. Так, при
температурі T 2600 С (р 10,5 ГПа; t 40 с) швидкість збиральної рекристалізації в
Рис. 7. Субмікронні пори у структурі ПcBN(гз),
одержаного при T 2500 С (р 10,5 ГПа; t 40 с):
пунктирні кола оточують пори (результати надані
Г. С. Олєйник з Інституту проблем матеріалознавства
ім. І. М. Францевича НАН України)
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
201
серцевинній зоні зразка приблизно на порядок вища порівняно з периферією, внаслідок чого
розміри зерен у центральній частині становлять 3050 мкм (рис. 6, г).
Передбачається, що уповільнення збільшення зерен відбувається через інфільтраційне
забруднення приповерхневої зони ПcBN, вірогідність якого в КВТ посилюється з
підвищенням температури ПКС [13]. З наявністю домішок-стопорів, які переважно
сегреговані на міжзеренних границях, пов’язане гальмування руху та зниження швидкості їх
пересування. У чистішій центральній зоні зразка визрівання Оствальда, що відбувається за
механізмом коалесценції, рухливість границь визначається лише фактором термічної
активації процесу.
Перспективи практичного застосування ПcBN, одержаних методом ПКС.
Практичний аспект дослідження процесів високотемпературного ПКС пов’язаний з
вивченням властивостей насамперед монофазних ізотропних ПcBN, одержаних з p-BN(1) при
температурі T 2200 С (рис. 8).
Серед досліджених матеріалів ПcBN (див. таблицю) субмікрокристалічному
ПcBN(смк) притаманні надзвичайно висока мікротвердість HV0,5 66 3 ГПа, значна
тріщиностійкість КIC 9,1 2,1 МПам1/2, модуль Юнга E 923 20 ГПа, параметр
пластичності Н 0,313 та рівень
теплопровідності (фононний
тип) 180 20 Вт/(мК) [23,
24]. Зазначимо, що для широкої
гами сучасних різальних
матеріалів на основі cBN,
включаючи композити груп BL і
BH, за численними даними
значення відповідних технічних
характеристик суттєво різняться:
HV0,5 25–38 ГПа, КIC 4,5–
13 МПам1/2, E 520–890 ГПа,
50–120 Вт/(мК).
Можливість використання
ПcBN(смк) як різального
матеріалу видається очевидним
передбаченням, що має певні
перспективи [25]. Не так давно
японські дослідники
продемонстрували високу ефективність застосування аналогічних ПcBN з ультратонкою
структурою в різальному інструменті для прецизійного точіння та надтонкого
високошвидкісного фрезерування деталей з нержавіючої сталі та інших залізистих матеріалів
[3, 26]. Робоча частина інструменту для фрезерування містила трикутну вставку з полікристалу
cBN, яка була припаяна на підкладку з твердого сплаву [26]. Вісім трикутних вставок вирізались
з одного полікристала круглої форми діаметром 7 мм і товщиною 0,7 мм. T. Taniguchi з
співавторами одержував полікристали за методом ПКС з використанням АВТ типу «белт» і
модернізованої конструкції КВТ при тиску p0 10 ГПа і температурі T 1800 С.
Як засвідчили результати пошукових досліджень, адаптація технології ПКС до
можливостей апарату АВТТ-30 дає низку переваг, зокрема, високу продуктивність одержання
пластин ПcBN(смк) діаметром до 12 мм (одночасно по три-чотири залежно від їх товщини).
Іншими словами, приблизно за 10 хв загальної тривалості термобаричної обробки отримують
заготовки матеріалу для виготовлення від 72 до 128 різних трикутних елементів (вставок для
Рис. 8. Температурні умови одержання монофазного
ізотропного ПcBN у процесах ПКС з вихідного
масивного піролітичного матеріалу в результаті
твердофазного перетворення р-BN (1)cBN
Выпуск 20. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
202
паяного інструменту) шляхом розкроювання пластин за технологіями алмазоабразивнго або
лазерного різання.
Високий рівень фізико-механічних властивостей ПcBN(смк) і його хімічна інертність
щодо заліза свідчать також про можливість використання полікристалів як інденторного
матеріалу, зокрема, для діагностики високотемпературних властивостей сталей і сплавів.
Передбачається, що ПcBN(смк), як інденторний матеріал, матиме певні переваги порівняно не
тільки із сапфіром, а й алмазом.
Висновки
Особливості структурних та фазових перетворень графітоподібного BN при прямому
конверсійному спіканні значно залежать від реальної структури та чистоти вихідних
матеріалів, а також параметрів термобаричної дії. При використанні кристалічних порошків
hBN(cr) твердофазне перетворення у cBN відбувається відносно легко порівняно з
невпорядкованою структурою вихідного CVD BN, але залишки графітоподібної компоненти
BN фіксуються в обох випадках навіть після експерименту при температурі 2100 С.
За нетривалої термобаричної обробки (t 40 с) прискорення ПКС можливе внаслідок
підвищення параметрів p,T-дії. При р 10,5 ГПа і T 2200–2300 С формується
полікристалічна структура cBN без залишкової материнської фази незважаючи на її генезис та
специфіку структурного стану. У низці випадків з високочистими кристалічними порошками
hBN та CVD матеріалами можливе одержання з відтворенням прозорих полікристалів cBN.
З подальшим підвищенням температури в діапазоні 2250–2600 С ПcBN зазнає
еволюційних структурних змін через розвиток рекристалізації. У разі одержання
полікристалів шляхом ПКС з р-BN(1) (p0 10,5 ГПа, t 40 с) умовно відокремлені п’ять
масштабних станів структури за розміром зерна: квазіаморфний (припускається існування);
нанорозмірний (0,01–0,1 мкм, одержано у спеціальних експериментах [20]);
субмікрокристалічний (0,1–1 мкм, утворюється при первинній рекристалізації);
дрібнозернистий (1–10 мкм, нормальна рекристалізація); грубозернистий (10–100 мкм,
динамічна рекристалізація).
Дослідження виконували згідно з науковою роботою III-1-17 (0135)
№ ДР 0117U000386 за рахунок загального фонду бюджетного фінансування НАН України.
Изучены особенности структуры поликристаллов кубического нитрида бора (ПcBN),
полученных прямым конверсионным спеканием (ПКС) порошковых и массивных CVD материалов
графитоподобного BN при высоком давлении 7,7 и 10,5 ГПа в температурном диапазоне 1300–
2600 С. Показано, что при р 10,5 ГПа и T 2200–2300 С образуется поликристаллическая
структура cBN без остаточной материнской фазы независимо от ее генезиса и специфики
структурного состояния. При дальнейшем повышении температуры в диапазоне 2250–2600 С
структурные изменения ПcBN обусловлены развитием рекристаллизации. Приведена градация
структурных состояний ПcBN, отличающихся размерами зерен в диапазоне 0,01–100 мкм.
Ключевые слова: гексагональный графитоподобный нитрид бора, высокое давление,
конверсионное спекание, кубический нитрид бора, поликристалл, структура.
STRUCTURE PECULIARITIES OF CUBIC BORON NITRIDE POLYCRYSTALS
MANUFACTURED BY DIRECT CONVERSION SINTERING
The structure peculiarities of cubic boron nitride polycrystals (PCBN) manufactured by direct
conversion sintering (DCS) of powdery and massive CVD graphite-like BN materials at high pressure of 7.7
and 10.5 GPa in the temperature range 1300–2600 C have been studied. It is shown that at 10.5 GPa and
2200-2300 C a polycrystalline structure of cBN is formed without a residual maternal phase, regardless of
its genesis and the specific structural state. With further temperature increasing in the range of 2250–2600 C
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
203
the structural changes of PcBN are caused by the recrystallization. The gradation of the structural states of
PcBN dependent on grain sizes in the range 0.01-100 μm has been given.
Key words: hexagonal graphite-like boron nitride, high pressure, conversion sintering, cubic boron
nitride, polycrystal, structure.
Література
1. Sumiya H. Novel Development of High-Pressure Synthetic Diamonds "Ultra-hard Nano-
polycrystalline Diamonds" // SEI Techn. Rev. – 2012. – N 74. – P. 74–23.
2. Sumiya H., Uesaka S., Satoh S. Mechanical properties of high purity polycrystalline cBN
synthesized by direct conversion sintering method // J. Mater. Sci. – 2000. –35. – P. 1181–1186.
3. Sumiya H., Harano K., Ishida Y. Mechanical properties of nano-polycrystalline cBN
synthesized by direct conversion sintering under HPHT // Diamond Relat. Mater. – 2014. –
41. –P. 14–19.
4. Никишина М. В., Иценко П. П. Устойчивость наноструктуры пиролитического BN в
условиях термобарического воздействия // Наносистеми, наноматеріали,
нанотехнології. – 2009. – 7. – № 2. – С. 505–516.
5. Solozhenko V. L., Petrusha I. A., Svirid A. A. Thermal phase stability of rhombohedral
boron nitride // High Press. Res. – 1996. – 15. – P. 95–103.
6. Анализ структуры пиролитического нитрида бора / Б. Н. Шарупин, А. Е. Кравчик,
М. М. Ефременко и др. // ЖПХ. – 1990. – 63. – № 8. – С. 1698–1701.
7. Дедков В.С. Структурная иерархия нитрида бора и ее связь со свойствами: автореф.
дис…канд. физ.-мат. наук: 01.04.07 / НИИ ВН при Томск. политех. ун-те. – Томск,
1996. – 16 с.
8. Сrystal-oriented mechanism of dynamic recrystallization nucleation in cubic boron nitride
/ G. S. Oleinik, I. A. Petrusha, N. V. Danilenko et al. // Diamond Relat. Mater. – 1998. – 7.
– P. 1684–1692.
9. Курдюмов А.В. О дефектах упаковки в графитоподобном нитриде бора //
Кристаллография. – 1975. – 20. – № 5. – С. 969–973.
10. Полиморфные модификации углерода и нитрида бора: cправоч. изд. / А. В. Курдюмов ,
В. Г. Малоголовец, Н. В. Новиков и др. М.: Металлургия, 1994. 318 с.
11. Патнис А., Мак-Коннелл Дж. Основные черты поведения минералов: Пер. с англ. –
М.: Мир, 1983. – 304 с.
12. Transformations of highly ordered graphite-like phases of pyrolytic boron nitride at high
pressures of static compression / V. F. Britun, A. V. Kurdyumov, T. Taniguchi, et al. // J.
Superhard Mater. – 2003. – 25. – N 2. – P. 11–22.
13. Preventive Action of Silicon Nitride at HT-HP Sintering of Cubic Boron Nitride /
I. A. Petrusha, A. S. Osipov, M. V. Nikishina, et al. // J. Superhard Mater. – 2015. – 37. –
N 4. – P. 222–233.
14. Synthesis of translucent sintered cubic boron nitride / M. Akaishi, T. Satoh, M. Ishii, et al.
// J. Mater. Sci. Lett. – 1993. – 12. – P. 1883–1485.
15. Taniguchi T., Akaishi M., Yamaoka S. Mechanical Properties of Polycrystaline Translucent
Cubic Boron Nitride as Characterized by the Vickers Indentation Method // J. Am. Ceram.
Soc. – 1996. – 79. – N 2. – P. 547–549.
16. Kurdyumov A. V., Britun V. F., Petrusha I. A. Structural mechanisms of rhombohedral BN
transformations into diamondlike phases // Diamond Relat. Mater. – 1996. – N 5. – P. 1229–
1235.
17. Britun V. F. , Kurdyumov A. V. , Petrusha I. A. The rBN-hBN-wBN-cBN crystal-oriented
transformations in pyrolytic BN // J. Superhard Mater. – 2000. – 22. – N 2. – P. 3–7.
Выпуск 20. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
204
18. X-ray examination of the CVD BN texture evolution during phase transformations of
rhombohedral modification at high pressures and temperatures / V. F. Britun,
A. V. Kurdumov, V. B. Zelyavskii, I. A. Petrusha // J. Superhard Mater. – 2001. – 23. – N
4. – P. 5–12.
19. Corrigan F. R., Bundy F. P. Direct transitions among the allotropic forms of boron nitride
at high pressure and temperatures // J. Chem. Phys. – 1975. – V. 63, N 9. – P. 3812–3820.
20. Superhard nanocomposite of dense polymorphs of boron nitride: Noncarbon material has
reached diamond hardness / N. Dubrovinskaia, V. L. Solozhenko, N. Miyajima, et al.//
Appl. Phys. Lett. – 2007. – 90. – P. 101912 1–3.
21. Панин В. Е., Егорушкин В. Е. Физическая мезомеханика и неравновесная
термодинамика как методологическая основа наноматериаловедения // Физ.
мезомеханика. – 2009. – 12. – № 4. – С. 7–26.
22. Synthesis of coarse-grain-dispersed nano-polycrystalline cubic boron nitride by direct
transformation under ultrahigh pressure / Y. Ichida, H. Ohfuji, T. Irifune, et al. // Diamond
Relat. Mater. – 2017. – 77. – P. 25–34.
23. Залежність твердості чистих полікристалічних матеріалів кубічного нітриду бору від
структурних параметрів / М. В. Нікішина, Н. М. Білявина , Т. П. Барсукова та ін. //
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и
технология его изготовления и применения: cб. науч. тр. – К.: ИСМ им. В. Н. Бакуля
НАН Украины, 2011. – Вып. 14. – С. 299–304.
24. Cравнение поликристаллических и композиционных материалов кубического BN по
параметру пластичности / М. В. Никишина, И. А. Петруша, О. И. Запорожец,
В. А. Котенко // Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов: cб. науч. тр.
/ отв. ред. Н. В. Новиков, А. А. Шульженко; Ин-т сверхтвердых матер. им.
В.Н. Бакуля НАН Украины. – К., 2011. – С. 187–191. – Сер. «Материаловедение».
25. Theoretical shear strength and the onset of plasticity in nanodeformation of cubic boron
nitride / S. N. Dub, I. A. Petrusha, V. M. Bushlya, et al. // J. Superhard Mater. – 2017. – 39.
– N 2. – P. 88–98.
26. Development of ultra-fine-grain binderless cBN tool for precision cutting of ferrous
materials / K. Fujisaki, H.Yokota, N. Furushiro, et al. // J. Mater. Proc. Technol. – 2009. –
209. – P. 5646–5652.
Надійшла 11.07.17
|