Вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих PСBN матеріалів

Досліджено вплив тиску на холодне пресування і спікання порошків cBN без добавок і з добавкою 10% Al. Встановлено вплив тиску на характеристики пористої структури, фазовий склад, дефектність фаз, густину і твердість композитів....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Беженар, М.П., Коновал, С.М., Гарбуз, Т.О., Романенко, Я.М., Білявина, Н.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2017
Schriftenreihe:	Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Schlagworte:	Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135038
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:	Вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих PСBN матеріалів / М.П. Беженар, С.М. Коновал, Т.О. Гарбуз, Я.М. Романенко, Н.М. Білявина // 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. 384-391. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-135038
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1350382025-02-09T13:52:13Z Вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих PСBN матеріалів Pressure effects on formation strukture and properties of superhard PCBN materials Беженар, М.П. Коновал, С.М. Гарбуз, Т.О. Романенко, Я.М. Білявина, Н.М. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Досліджено вплив тиску на холодне пресування і спікання порошків cBN без добавок і з добавкою 10% Al. Встановлено вплив тиску на характеристики пористої структури, фазовий склад, дефектність фаз, густину і твердість композитів. Исследовано влияние давления на холодное прессование и спекание порошков cBN без добавок и с добавкой 10% Al. Установлено влияние давления на характеристики пористой структуры, фазовый состав, дефектность фаз, плотность и твердость композита. The influence of pressure on cold pressing and sintering of cBN powders without additives and with addition of 10% Al was investigated. The influence of pressure on the characteristics of the porous structure, phase composition, phase defects, density and hardness have been established of the composite. 2017 Article Вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих PСBN матеріалів / М.П. Беженар, С.М. Коновал, Т.О. Гарбуз, Я.М. Романенко, Н.М. Білявина // 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. 384-391. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135038 621.762.5 ru 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	Russian
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 Беженар, М.П. Коновал, С.М. Гарбуз, Т.О. Романенко, Я.М. Білявина, Н.М. Вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих PСBN матеріалів Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
description	Досліджено вплив тиску на холодне пресування і спікання порошків cBN без добавок і з добавкою 10% Al. Встановлено вплив тиску на характеристики пористої структури, фазовий склад, дефектність фаз, густину і твердість композитів.
format	Article
author	Беженар, М.П. Коновал, С.М. Гарбуз, Т.О. Романенко, Я.М. Білявина, Н.М.
author_facet	Беженар, М.П. Коновал, С.М. Гарбуз, Т.О. Романенко, Я.М. Білявина, Н.М.
author_sort	Беженар, М.П.
title	Вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих PСBN матеріалів
title_short	Вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих PСBN матеріалів
title_full	Вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих PСBN матеріалів
title_fullStr	Вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих PСBN матеріалів
title_full_unstemmed	Вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих PСBN матеріалів
title_sort	вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих pсbn матеріалів
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/123456789/135038
citation_txt	Вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих PСBN матеріалів / М.П. Беженар, С.М. Коновал, Т.О. Гарбуз, Я.М. Романенко, Н.М. Білявина // 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. 384-391. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
work_keys_str_mv	AT beženarmp vplivtiskunaformuvannâstrukturiívlastivostejnadtverdihpsbnmateríalív AT konovalsm vplivtiskunaformuvannâstrukturiívlastivostejnadtverdihpsbnmateríalív AT garbuzto vplivtiskunaformuvannâstrukturiívlastivostejnadtverdihpsbnmateríalív AT romanenkoâm vplivtiskunaformuvannâstrukturiívlastivostejnadtverdihpsbnmateríalív AT bílâvinanm vplivtiskunaformuvannâstrukturiívlastivostejnadtverdihpsbnmateríalív AT beženarmp pressureeffectsonformationstruktureandpropertiesofsuperhardpcbnmaterials AT konovalsm pressureeffectsonformationstruktureandpropertiesofsuperhardpcbnmaterials AT garbuzto pressureeffectsonformationstruktureandpropertiesofsuperhardpcbnmaterials AT romanenkoâm pressureeffectsonformationstruktureandpropertiesofsuperhardpcbnmaterials AT bílâvinanm pressureeffectsonformationstruktureandpropertiesofsuperhardpcbnmaterials
first_indexed	2025-11-26T11:48:04Z
last_indexed	2025-11-26T11:48:04Z
_version_	1849853411181199360
fulltext	Выпуск 20. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 384 УДК 621.762.5 М. П. Беженар, д-р техн. наук1; С. М. Коновал1, Т. О. Гарбуз1, кандидати техн. наук; Я. М. Романенко, інженер1; Н. М. Білявина2, канд. фіз.-мат. наук 1Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ 2Київський національний університет ім. Тараса Шевченко, Україна ВПЛИВ ТИСКУ НА ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРИ І ВЛАСТИВОСТЕЙ НАДТВЕРДИХ PсBN МАТЕРІАЛІВ Досліджено вплив тиску на холодне пресування і спікання порошків cBN без добавок і з добавкою 10% Al. Встановлено вплив тиску на характеристики пористої структури, фазовий склад, дефектність фаз, густину і твердість композитів. Ключові слова: високий тиск, спікання, кубічний нітрид бору, пористість, фазовий склад, густина, твердість. Вступ Сучасні PcBN матеріали (полікристалічні надтверді матеріали на основі кубічного нітриду бору) – це керамічні композити з вмістом cBN від 45 до майже 100 %, призначені для точіння загартованих сталей, спецсплавів, наплавлених і напилених покриттів [1, 2]. Одержують PcBN матеріали методами порошкової металургії (спіканням порошків) з застосуванням технологій високого тиску. Метод спікання дозволяє варіювати властивостями композитів за рахунок застосування різних добавок, Необхідність застосування високих тисків викликана тим, що cBN – фаза високого тиску, при температурах спікання (1700 К і вище) область стабільності cBN – при тисках вище 4 ГПа. На рис. 1 показано лінію рівноваги кубічної та графітоподібної фаз [3], границі термічної активації фазових переходів BNг  BNсф [3, 4], а також області спікання порошків cBN без добавок і реакційного активованого спікання [5]. Як видно з рис. 1, високий тиск – необхідна умова спікання. Мета даної роботи – дослідження впливу тиску на формування структури і властивостей cBN композитів, одержаних при тисках вище 1 ГПа і проаналізувати можливість одержання PcBN матеріалів при тисках нижче 4 ГПа в області стабільності графітопоподібного гексагонального нітриду бору (hBN). Методи досліджень Досліди проводили в сталевих (тиски 1–5 ГПа) і твердосплавних (8 ГПа) апаратах високого тиску (АВТ) [4]. В табл. 1 приведені характеристики АВТ, які використовувались при виконанні досліджень. Рис. 1. p, T –діаграма спікання сBN: 1 – лінія фазової рівноваги hBN - cBN; 2 – границі термічної активації переходів hBNcBN, cBNhBN; 3 – область спікання порошків cBN без добавок; 4 – область реакційного, активованого спікання порошків cBN РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА 385 Вихідні порошки cBN з розміром зерен від 1 до 100 мкм вузького діапазону зернистостей (розмір зерен в фракції відрізняється не більше ніж на 50 %). Варіанти шихти – порошок cBN без добавок та з добавкою алюмінію (10 % за масою). Методи досліджень – ртутна порометрія для визначення пористості і розміру пор; гідростатичне зважування в рідині для визначення густини; рентгеностуктуний аналіз для визначення характеристик субструктури і фазового складу; індентування пірамідою Кнупа при навантаженні 10 Н для визначення твердості. Таблиця 1. Характеристики апаратів високого тиску, які використовувались при виконанні досліджень Тип АВТ Матеріал вставки блок- матриці Експлуатаційні характеристики Максимальні розміри полікристалів КНБ Тиск, ГПа Темпера- тура, К Об’єм ЯВТ, см3 D, мм H, мм V, см3 Vп/Vявт Тороїд-20 ВК6 7,7 2300 1,7 8,5 4,5 0,25 0,15 КЗ-35 ВК6 4,2 1750 11 14,0 10,0 2,0 0,16 КЗ-55 Інструмен- тальна сталь 4,2 1750 43 27,0 15,0 8,5 0,20 Результати та їх обговорення Послідовність технологічних операцій при одержанні PcBN композитів наступна: пресування порошків cBN (шихти) в АВТ при кімнатній температурі, тиск 1 – 8 ГПа; нагрівання при високому тиску (температура 750–2300 К); охолодження до температур 300– 500 К; зняття тиску. На першому етапі (пересування при кімнатній температурі) відбувається ущільнення порошків, часткове крихке руйнування, пластична деформація. В табл. 2 приведені визначені методом ртутної порометрії залежності пористості, відносної питомої поверхні та середнього ефективного діаметру каналів між порами від тиску при холодному пресуванні порошків cBN марок КМ 5/3 та КМ 60/40 [6], а в табл. 3 – розраховані за даними табл. 2 середній розмір пор, середній розмір зерна і кількість зерен в одиниці маси в залежності від тиску пресування при кімнатній температурі. Таблиця 2. Залежність пористості, відносної питомої поверхні та середнього ефективного діаметру каналів між порами від тиску при холодному пресуванні порошків cBN Марка cBN Тиск пресування, ГПа 10-2 1 2 3 4 5 8 КМ 5/3 Пористість стисненого брикету cBN, % 55 43 39 36 32 30 26 КМ 60/40 42 34 30 26 23 21 16 КМ 5/3 Середній розмір каналів між порами в стисненому брикеті cBN, мкм 0,8 0,6 0,45 0,35 0,3 0,28 0,25 КМ 60/40 - - - 2,0 1,4 1,0 0,4 КМ 5/3 Відносна питома поверхня порошку, відн. од. 1,0 1,0 1,0 1,1 1,2 1,3 1,3 КМ 60/40 1,0 2,0 3,3 3,7 3,9 4,1 4,3 Выпуск 20. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 386 Таблиця 3. Залежність середнього діаметру пор, середнього розміру зерна і кількості зерен в одиниці маси від тиску при холодному пресуванні порошків cBN Марка cBN Тиск пресування, ГПа 10-2 1 2 3 4 5 8 КМ 5/3 Середній розмір пор в стисненому брикеті cBN, мкм 4,3 3,7 3,4 3,0 2,6 2,3 2,2 КМ 60/40 45 20 11,5 9,5 8,6 7,8 7,0 КМ 5/3 Середній розмір зерна cBN, мкм 4,0 4,0 4,0 3,64 3,33 3,08 3,08 КМ 60/40 50 25 15,2 13,5 12,8 12,2 11,6 КМ 5/3 Кількість зерен cBN, % 100 100 100 133 173 219 219 КМ 60/40 100 800 3600 5100 6000 6900 8000 Дані табл. 3 одержані в результаті наступних розрахунків. Розрахунок ефективного розміру пор (d) в компактах з порошків cBN після кожної технологічної операції виконували за формулою, що моделює процеси в пористій системі, при яких ущільнення не супроводжується коагуляцією пор і збираючою рекристалізацією, тобто кількість пор, як і в вихідному стані порошкової системи, дорівнює кількості зерен, тому виконується співвідношення (di/Di) 3= Пi/(1–Пi); або , тут D – розмір зерна cBN, П – пористість брикету. При розрахунку середнього розміру зерна cBN і кількості зерен cBN в одиниці маси вважали, що зерна мають форму кулі, тому використовували наступні формули: поверхня частинки (кулі) ; об’єм частинки ; питома поверхня частинки ; діаметр частинки ; кількість частинок в одиниці об’єму [V] . Аналіз даних табл. 2 і 3 дозволяє зробити наступні висновки: При пресуванні порошків cBN пористість і розмір пор закономірно зменшуються зі збільшенням тиску пресування. В брикетах, спресованих з крупних порошків cBN пористість нижча, а розмір пор більший, ніж в брикетах, спресованих з дрібних порошків. Зміну густини спресованих брикетів зі зміною тиску пресування і розміру зерен вихідних порошків можна описати степеневою функцією виду , де ρ – густина брикета, p – тиск пресування, d – розмір зерен вихідного порошку cBN, a, m і n – сталі. Для порошків cBN з розміром зерен від 1 до 100 мкм і тисків пресування від 1 до 10 ГПа формулу можна записати у вигляді , тут ρ в %, p в ГПа, d в мкм. Збільшення тиску пресування призводить до збільшення питомої поверхні порошку cBN, що пов’язано з дробленням порошку [4]. Крупні порошки дробляться інтенсивніше, початок дроблення наступає при менших тисках. Середній розмір зерен cBN закономірно зменшується зі збільшенням тиску пресування, відповідно зростає кількість зерен в одиниці маси порошку. Якщо для порошку КМ 5/3 при тиску пресування 8 ГПа середній розмір зерна зменшується в 1,3 рази, то для порошку КМ 60/40 – в 4,3 рази. Інтенсивність дроблення можна показати і розрахувавши скільки зерен буде у порошку після пресування при тиску 8 ГПа 100 зерен вихідного порошку; для КМ 5/3 маємо 219 зерен, тобто з одного зерна вихідного маємо 2 після 3 1 1           i ii П Пi Dd 2dS  3 6 1 dV  d 6 V S Sspes  spesS d 6    3πd V N 6  nmdap 04,013,054 dp РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА 387 пресування; для КМ 60/40 маємо 8000 зерен, тобто з одного зерна вихідного маємо 80 після пресування, інтенсивність дроблення порошку КМ 60/40 в 40 раз вища, ніж КМ 5/3. Для безпосереднього контролю за процесом холодного ущільнення використана методика, заснована на вимірюванні електричного опору вміщеного в робочий об'єм АВД порошку cBN, попередньо покритого тонким шаром графіту за методикою [7]. В табл. 4 приведена залежність відносного електроопору порошку від тиску пресування. Таблиця 4. Залежність відносного електроопору порошку cBN, покритого плівкою графіту, від тиску пресування Марка cBN Тиск, ГПа 0,1 0,5 0,8 1,0 1,3 1,7 2,5 3,5 4,2 5,5 6,5 8,0 Електроопір стисненого брикету, відн. од. КМ 5/3 - - 1,1 1,05 1,03 1,01 1,00 1,02 1,04 1,06 1,07 1,08 КМ 60/40 1,08 1,0 1,2 1,35 1,45 1,8 2,0 2,2 2,35 2,4 2,43 2,45 Аналіз даних табл. 4 дозволяє стверджувати, що при холодному пресуванні порошку cBN, покритого тонкою плівкою графіту (до 0,02 мкм) збільшення електроопору пов’язано з дробленням порошків cBN, мінімальний електроопір відповідає початку дроблення, для порошку КМ 5/3 це 2,5 ГПа, для КМ 60/40 – 0,5 ГПа. Підвищення електроопору для крупних порошків значно більше, ніж для дрібних, це корелює зі збільшенням питомої поверхні порошків і інтенсивності дроблення. Спікання порошків cBN без добавок при тисках до 7 ГПа і температурах вище 1200 К супроводжується незворотнім фазовим переходом cBN → hBN, такі полікристали мають низьку твердість і міцність через високий вміст hBN і значну пористість [8]. І тільки при тисках вище 7 ГПа і температурі вище 2100 К можливо одержати практично безпористі високотверді однофазні полікристали cBN [8, 9]. При пресуванні порошків cBN розмір каналів між порами закономірно зменшуються зі збільшенням тиску пресування. В зразках, спресованих з крупних порошків cBN розмір каналів між порами більший, ніж в зразках з дрібних порошків. В табл. 5 приведені середні розміри каналів між порами в зразках cBN, одержаних при різних температурах, в залежності від тиску спіканя. При температурах спікання 750 К і 1200 К характер зміни розміру каналів між порами зі збільшенням тиску такий же, як і у випадку холодного пресування порошку. Таблиця 5. Середні розміри каналів між порами в зразках cBN, одержаних при різних температурах, в залежності від тиску спіканя Марка cBN Тем-ра спікання, К Тиск, ГПа 10-2 1 2 3 4 5 8 Середні розміри каналів між порами (мкм) КМ 5/3 300 0,8 0,6 0,45 0,35 0,3 0,28 0,25 КМ 60/40 - - - 2,0 1,4 1,0 0,4 КМ 5/3 750 - 0,36 0,27 0,21 0,18 0,17 0,15 КМ 60/40 - 2,0 1,5 1,2 0,84 0,60 0,33 КМ 5/3 1200 - 0,24 0,18 0,14 0,12 0,11 0,10 КМ 60/40 - 1,3 0,77 0,62 0,43 0,31 0,17 1200 Тиск Лапласа (капілярний тиск в рідкому алюмінії в порах), МПа КМ 5/3 - 15,3 20,3 26,1 30,5 33,3 36,6 КМ 60/40 - 2,82 4,75 5,90 8,51 11,8 21,5 Выпуск 20. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 388 В технологічних процесах для одержання PCBN матеріалів часто використовують систему cBN–Al [9]. При цьому часто використовують двостадійний процес одержання: на першій стадії при низькому тиску (до 2,5 ГПа) просочення стисненого порошку cBN алюмінієм при температурах, коли рідкий алюміній не змочує cBN (до 1400 К), на другій стадії кінцеве спікання при тисках вище 3 ГПа і температурах вище 1500 К [10]. При холодному пресуванні шихти cBN + 10% Al зберігається характер зміни пористої структури (загальна пористість, розмір пор, розмір каналів пор, розмір зерен cBN) в порівнянні з пресуванням порошків cBN без добавок. На етапі просочення різниця суттєва, і зв’язана з плавленням алюмінію. Тиск Лапласа в пористому середовищі визначається за формулою , де σтг – поверхневий натяг на границі «конденсована фаза—газ», dk – діаметр каналу пори. При контактній взаємодії порошкової системи з рідкою фазою величину капілярного тиску рL обумовлює діаметр каналу пори і поверхневий натяг на границі «конденсована фаза-рідина», який визначається кутом змочування () і поверхневим натягом рідкої фази (σрг). Капілярний тиск на границі «конденсована фаза—рідина» дорівнює: . Поверхневий натяг алюмінію рг=0,915 Дж/м2 [11]. При Т=1273 К, р=2,5 ГПа: cBN–Al>140O [12], cos  –1. При просоченні стисненого порошку cBN рідким алюмінієм (температура 1200 К) капілярний тиск в порах змінюється для випадку порошку КМ 5/3 від 15 до 37 МПа, а для порошку КМ 60/40 від 3 до 22 МПа при зміні зовнішнього тиску від 1 до 8 ГПа (див. табл. 5). На етапі високотемпературного спікання порошків системи cBN–Al відбувається хімічна взаємодія між компонентами шихти. Графітоподібний BN практично не утворюється. Тиск стимулює процеси ущільнення і пластичної деформації в фазі cBN, впливає на формування фазового складу надтвердого композиту. В табл. 6 приведений фазовий склад композитів, спечених з шихти КМ 7/5+ 10% Al при температурі 1750 К і тисках віж 1 до 5 ГПа. Таблиця 6. Фазовий склад композитів, спечених при 1750 К з шихти КМ 7/5+ 10% Al Фаза (% за масою) Тиск, ГПа 1 2 3 4 5 cBN 83,9 81,6 76,9 80,8 79,6 AlN 9,1 15,8 21,7 17,3 17,5 AlB2 0 0 0,5 1,9 2,9 AlB12 3,5 1,5 0,5 0 0 Al 1,2 0,8 0,4 0 0 hBN 2,3 0,3 0 0 0 Як видно з табл. 6, при тисках спікання 1 і 2 ГПа в складі композиту є графітоподібний нітрид бору hBN, при тисках спікання 1, 2 і 3 ГПа – залишковий алюміній, хімічна взаємодія між cBN і Al пройшла не повністю. Додекаборид алюмінію AlB12 утворюється при тисках до 3 ГПа, при тисках 3 – 5 ГПа – диборид алюмінію AlB2. При всіх тисках утворюється нітрид алюмінію AlN, найбільше його при тиску 3 ГПа, причиною можуть бути несприятливі умови для створення боридів і відповідно утворення твердих розчинів бору (заміщення і втілення) в кристалічній гратці AlN. В табл. 7 і 8 приведені періоди і об'єми кристалічних граток фаз композиту, спеченого з шихти КМ 7/5 + 10 % Al при 1750 К, а в табл. 9 – вплив тиску на реальну структуру, густину і твердість цих же композитів. k тг L d p 2  k рг L d p   cos4 РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА 389 Таблиця 7. Періоди кристалічних граток фаз композиту, спеченого з шихти КМ 7/5 + 10% Al при 1750 К (статистика) Тиск, ГПа cBN Al AlN AlN AlB2 AlB2 а, нм а, нм а=в, нм с, нм а=в, нм с, нм 1 0,36147(3) 0,40520(5) 0,31150(3) 0,49806(3) - - 2 0,36145(3) 0,40520(4) 0,31146(3) 0,49810(3) - - 3 0,36148(2) 0,40482(4) 0,31129(2) 0,49770(3) 0,30103(4) 0,32428(3) 4 0,36151(2) 0,40488(9) 0,31138(2) 0,49780(4) 0,30110(3) 0,32590(6) 5 0,36153(2) 0,40490(10) 0,31133(4) 0,49782(2) 0,30115(3) 0,32620(3) Таб. 0,36153 0,40496 0,3111 0,4978 0,3009 0,3262 Таблиця 8. Об'єми елементарних комірок фаз композиту, спеченого з шихти КМ 7/5 + 10% Al при 1750 К (за даними табл. 7) Тиск, ГПа cBN Al AlN AlB2 V, нм3 ΔV/V, % V, нм3 ΔV/V, % V, нм3 ΔV/V, % V, нм3 ΔV/V, % 1 0,047230 -0,049 0,066529 0,179 0,048328 0,309 2 0,047222 -0,066 0,066529 0,179 0,048319 0,291 3 0,047234 -0,040 0,066342 -0,102 0,048228 0,102 0,029386 -0,501 4 0,047246 -0,015 0,066371 -0,059 0,048265 0,179 0,029546 0,041 5 0,047253 0,000 0,066381 -0,044 0,048252 0,152 0,029584 0,169 Таб. 0,047253 0,066410 0,048179 0,029534 Таблиця 9. Характеристики субструктури (в фазі cBN), густина і твердість композитів, спечених при 1750 К з шихти КМ 7/5+ 10% Al Характеристика Тиск, ГПа 1 2 3 4 5 Розмір ОКР, нм 24 23 22 22 19 Величина мікроспотворень Δd/d, 10-3 0,72 1,00 1,05 1,30 1,25 Величина мікронапруг, ГПа 0,63 0,88 0,92 1,14 1,10 Щільність дислокацій, 1011 см-2 5,2 5,3 6,3 6,6 7,1 Густина, г/см3 3,27 3,30 3,33 3,35 3,36 Твердість, ГПа 12 18 22 25 28 При зростанні тиску спостерігаємо тенденцію зростання періодів граток (і об’ємів) cBN та AlB2, i зменшення періодів граток (і об’ємів) Al та AlN. В зразках, де є AlB2 , період гратки Al менше. Для AlN найбільші періоди кристалічної гратки спостерігаються при 1 ГПа, збільшення об’єму складає 0,31 %, що може бути пов’язано з утворенням твердих розчинів бору на базі кристалічної гратки AlN. При збільшенні тиску утворюється диборид алюмінію як альтернатива твердому розчину бору в AlN, об’єм елементарної комірки AlN зменшується, наближається до табличного. Для Al найбільші періоди кристалічної гратки – при 1 ГПа, збільшення об’єму – 0,18 % в порівнянні з табличним, що може бути пов’язано з утворенням твердого розчину бору в Выпуск 20. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 390 алюмінії. При збільшенні тиску з розчину виділяється диборид алюмінію, об’єм елементарної комірки Al зменшується. Для AlB2 найбільший період гратки (і об’єм) спостерігається при 5 ГПа, на 0,17 % більше табличного. Ймовірно теж утворюються тверді розчини. Для cBN найменші значення періоду гратки (і об’єму) виявлено при 1 ГПа (на 0,05% менший об’єм), що може бути пов’язано з утворенням твердих розчинів кисню на базі гратки cBN. Збільшення тиску спікання призводить до підвищення дефектності структури композиту (зменшення розмірів областей когерентного розсіювання, збільшення мікроспотворень і мікронапруг у кристалічній гратці cBN і, як результат, збільшення щільності дислокацій в фазі cBN. Твердість і густина композитів закономірно збільшуються з підвищенням тиску спікання. Таким чином, при одержанні РcBN композитів тиск суттєво впливає на формування їх структури та властивостей: при холодному пресуванні – на процеси дроблення і формування пористої структури, при остаточному спіканні – на формування фазового складу і деформаційно зміцненої структури. Висновки 1. При холодному пресуванні порошків cBN пористість і розмір пор закономірно зменшуються зі збільшенням тиску пресування. В брикетах, спресованих з крупних порошків cBN, пористість нижча, а розмір пор більший, ніж в брикетах, спресованих з дрібних порошків. 2. Збільшення тиску пресування призводить до збільшення питомої поверхні порошку cBN, що пов’язано з дробленням порошку. Крупні порошки дробляться інтенсивніше, початок дроблення наступає при менших тисках, для порошку КМ 5/3 це 2,5 ГПа, для КМ 60/40 – 0,5 ГПа. Середній розмір зерен cBN закономірно зменшується зі збільшенням тиску пресування, відповідно зростає кількість зерен в одиниці маси порошку. 3. При холодному пресуванні шихти cBN-Al (до 10% Al) зберігається характер зміни пористої структури (загальна пористість, розмір пор, розмір каналів пор, розмір зерен cBN) в порівнянні з пресуванням порошків cBN без добавок. 4. Фазовий склад композитів cBN-Al системи залежить від тиску спікання. При тисках спікання 1 і 2 ГПа в складі композиту є графітоподібний нітрид бору hBN, при тисках спікання 1, 2 і 3 ГПа – залишковий алюміній, хімічна взаємодія між cBN і Al пройшла не повністю. Додекаборид алюмінію AlB12 при тисках до 3 ГПа, при тисках 3 – 5 ГПа – диборид алюмінію AlB2. При всіх тисках утворюється нітрид алюмінію AlN, найбільше при тиску 3 ГПа, причиною можуть бути несприятливі умови для створення боридів і, відповідно, утворення твердих розчинів бору (заміщення і втілення) в кристалічній гратці AlN. 5. При зростанні тиску спікання спостерігаємо тенденцію зростання періодів граток (і об’ємів) cBN та AlB2, i зменшення періодів граток (і об’ємів) Al та AlN. В зразках, де є AlB2 , період гратки Al менше. 6. Збільшення тиску спікання призводить до підвищення дефектності структури композиту (зменшення розмірів областей когерентного розсіювання, збільшення мікроспотворень і мікронапруг у кристалічній гратці cBN і, як результат, збільшення щільності дислокацій в фазі cBN. Твердість і густина композитів закономірно збільшуються з підвищенням тиску спікання. Исследовано влияние давления на холодное прессование и спекание порошков cBN без добавок и с добавкой 10% Al. Установлено влияние давления на характеристики пористой структуры, фазовый состав, дефектность фаз, плотность и твердость композита. Ключевые слова: высокое давление, спекание, кубический нитрид бора, пористость, фазовый состав, плотность, твердость. РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА 391 PRESSURE EFFECTS ON FORMATION STRUKTURE AND PROPERTIES OF SUPERHARD PcBN MATERIALS The influence of pressure on cold pressing and sintering of cBN powders without additives and with addition of 10% Al was investigated. The influence of pressure on the characteristics of the porous structure, phase composition, phase defects, density and hardness have been established of the composite. Key words: high pressure, sintering, cubic boron nitride, porosity, phase composition, density, hardness. Література 1. Туркевич В. З., Беженар Н. П., Петруша И. А. Сверхтвердые композиционные материалы на основе кубического нитрида бора // В кн. Физико-технические проблемы современного материаловедения. В 2-х т. Т. 2. / Ред.кол; И.К. Походня (предс.) и др.; НАН Украины. – К.: Академпериодика. – 2013. – С. 254–282. 2. Сверхтвердые материалы. Получение и применение: В 6 т. / Под общ. ред. Н. В. Новикова. – Обработка материалов лезвийным инструментом. / Под ред. С. А. Клименко. – Киев: ИСМ им В. Н. Бакуля; ИПЦ «Алкон» НАНУ, 2006. – Т. 5. – 316 с. 3. Corrigan F. R., Bundy F. P. Direct transitions among the allotropic forms of boron nitride at high pressure and temperatures// J. Chem. Phys.– 1975. – 63. – N 9.– P. 3812–3820. 4. Синтез, спекание и свойства кубического нитрида бора/ А. А. Шульженко, С. А. Божко, А. Н. Соколов и др. – К.: Наук. думка, 1993. – 256 с. 5. Синтетические сверхтвердые материалы: В 3-х т. Т1. Синтез сверхтвердых материалов / Редколл.: Новиков Н. В. (отв. ред.) и др. – К.: Наук.думка, 1986. – 280 с. 6. Андреев О. Н., Беженарь Н. П. Холодное прессование порошков кубического нитрида бора при высоких давлениях // Сверхтвердые материалы.– 1991.–№ 1.– С. 6–11. 7. Беспалько О. П., Андреев О. Н. Исследование осаждения углерода на алмазной подложке из газовой фазы в условиях средних давлений// Сверхтвердые материалы.– 1980.– № 5.– С.21–22. 8. Беженарь Н. П., Андреев О. В., Товстоган В. М. Влияние условий спекания на некоторые характеристики поликристаллов КНБ // Поликристаллические материалы на основе синтетического алмаза и кубического нитрида бора. – Киев: ИСМ АН УССР.– 1990. – С. 35–47. 9. Беженар Н. П. Получение, структура и свойства поликристаллических и композиционных материалов на основе кубического нитрида бора // Сверхтвердые материалы. Монография в 6 томах. Т.1: Синтез алмаза и подобных материалов. – Киев: ИСМ, ИПЦ «Алкон» НАНУ, 2003. – С. 234–258. 10. Пат. 25281А, Україна, МКИ С04В35/5831. Спосіб спікання композиційного матеріалу на основі кубічного нітриду бору / М. В. Новіков, О. О. Шульженко, М. П. Беженар, С. А. Божко. – Заявл. 21.07.97, Опубл. 25.12.98, Бюл. № 6. 11. Панасюк А. Д., Фоменко В. С., Глебова Г. Г. Стойкость неметаллических материалов в расплавах. Справочник. – Киев: Наук. думка, 1986. – 352 с. 12. Беженар М. П., Логінова О. Б., Божко С. А. Вплив інших фаз в полікристалах BNсф на їх змочування алюмінієм// Сверхтв. материалы. – 1998. – № 5. – С. 60–61. Надійшла 28.07.17

Вплив тиску на формування структури і властивостей надтвердих PСBN матеріалів

Institution

Ähnliche Einträge