Исследование влияния отжига в различных средах на свойства композиций TiN—TiB₂
Изучено влияние изотермического отжига в атмосфере азота и в вакууме на фазовый состав и износостойкость керамических композиций TiN—TiB₂ с содержанием борида 36 и 50% (мас.), полученных электроразрядным спеканием. После отжига в азоте повышается относительное количество TiN в системе в результате в...
Saved in:
| Published in: | Современные проблемы физического материаловедения |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
2014
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143881 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Исследование влияния отжига в различных средах на свойства композиций TiN—TiB₂ / А.С. Петухов // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2014. — Вип. 23. — С. 87-96. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143881 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Петухов, А.С. 2018-11-16T14:16:33Z 2018-11-16T14:16:33Z 2014 Исследование влияния отжига в различных средах на свойства композиций TiN—TiB₂ / А.С. Петухов // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2014. — Вип. 23. — С. 87-96. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. XXXX-0073 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143881 621.762 Изучено влияние изотермического отжига в атмосфере азота и в вакууме на фазовый состав и износостойкость керамических композиций TiN—TiB₂ с содержанием борида 36 и 50% (мас.), полученных электроразрядным спеканием. После отжига в азоте повышается относительное количество TiN в системе в результате взаимодействия диборида титана с азотом. Отжиг в вакууме приводит к уменьшению относительной интенсивности рефлексов TiN и образованию определенной неидентифицированной кристаллической фазы (типа TiNxОy), а также к повышению стойкости режущего инструмента с 0,05 до 4,5 мин. Вивчено вплив ізотермічного відпалу в атмосфері азоту і у вакуумі на фазовий склад і зносостійкість керамічних композицій TiN—TiB₂ із вмістом бориду 36 і 50% (мас.), отриманих електророзрядним спіканням. Після відпалу в азоті підвищується відносна кількість TiN в результаті взаємодії диборида титану з азотом. Відпал у вакуумі призводить до зменшення відносної інтенсивності рефлексів TiN і формуванню певної неідентифікованої кристалічної фази (типу TiNxОy), а також до підвищення стійкості різального інструменту після відпалу у вакуумі з 0,05 до 4,5 хв. Influence of the isothermal annealing in the nitrogen atmosphere and in a vacuum on phase composition and wear resistance of TiN—TiB₂ ceramic composites with boride content of 36 and 50% (wt.) obtained by electric discharge sintering was studied. The annealing in a vacuum resulted in relative intensity reduction of TiN reflexes and formation of the certain unidentified crystalline phase (TiNxОy type), after the annealing in nitrogen the relative amount of TiN rose as a result of titan diboride interaction with nitrogen. Wear resistance of the cutting tool after the annealing in a vacuum rose from 0,05 to 4,5 min. ru Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України Современные проблемы физического материаловедения Исследование влияния отжига в различных средах на свойства композиций TiN—TiB₂ Дослідження впливу відпалу в різних середовищах на властивості композицій TiN—TiB₂ Research of influence of the annealing in the different mediums on TiN—TiB₂ compositions properties Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование влияния отжига в различных средах на свойства композиций TiN—TiB₂ |
| spellingShingle |
Исследование влияния отжига в различных средах на свойства композиций TiN—TiB₂ Петухов, А.С. |
| title_short |
Исследование влияния отжига в различных средах на свойства композиций TiN—TiB₂ |
| title_full |
Исследование влияния отжига в различных средах на свойства композиций TiN—TiB₂ |
| title_fullStr |
Исследование влияния отжига в различных средах на свойства композиций TiN—TiB₂ |
| title_full_unstemmed |
Исследование влияния отжига в различных средах на свойства композиций TiN—TiB₂ |
| title_sort |
исследование влияния отжига в различных средах на свойства композиций tin—tib₂ |
| author |
Петухов, А.С. |
| author_facet |
Петухов, А.С. |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Современные проблемы физического материаловедения |
| publisher |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Дослідження впливу відпалу в різних середовищах на властивості композицій TiN—TiB₂ Research of influence of the annealing in the different mediums on TiN—TiB₂ compositions properties |
| description |
Изучено влияние изотермического отжига в атмосфере азота и в вакууме на фазовый состав и износостойкость керамических композиций TiN—TiB₂ с содержанием борида 36 и 50% (мас.), полученных электроразрядным спеканием. После отжига в азоте повышается относительное количество TiN в системе в результате взаимодействия диборида титана с азотом. Отжиг в вакууме приводит к уменьшению относительной интенсивности рефлексов TiN и образованию определенной неидентифицированной кристаллической фазы (типа TiNxОy), а также к повышению стойкости режущего инструмента с 0,05 до 4,5 мин.
Вивчено вплив ізотермічного відпалу в атмосфері азоту і у вакуумі на фазовий склад і зносостійкість керамічних композицій TiN—TiB₂ із вмістом бориду 36 і 50% (мас.), отриманих електророзрядним спіканням. Після відпалу в азоті підвищується відносна кількість TiN в результаті взаємодії диборида титану з азотом. Відпал у вакуумі призводить до зменшення відносної інтенсивності рефлексів TiN і формуванню певної неідентифікованої кристалічної фази (типу TiNxОy), а також до підвищення стійкості різального інструменту після відпалу у вакуумі з 0,05 до 4,5 хв.
Influence of the isothermal annealing in the nitrogen atmosphere and in a vacuum on phase composition and wear resistance of TiN—TiB₂ ceramic composites with boride content of 36 and 50% (wt.) obtained by electric discharge sintering was studied. The annealing in a vacuum resulted in relative intensity reduction of TiN reflexes and formation of the certain unidentified crystalline phase (TiNxОy type), after the annealing in nitrogen the relative amount of TiN rose as a result of titan diboride interaction with nitrogen. Wear resistance of the cutting tool after the annealing in a vacuum rose from 0,05 to 4,5 min.
|
| issn |
XXXX-0073 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143881 |
| citation_txt |
Исследование влияния отжига в различных средах на свойства композиций TiN—TiB₂ / А.С. Петухов // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2014. — Вип. 23. — С. 87-96. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT petuhovas issledovanievliâniâotžigavrazličnyhsredahnasvoistvakompoziciitintib2 AT petuhovas doslídžennâvplivuvídpaluvríznihseredoviŝahnavlastivostíkompozicíitintib2 AT petuhovas researchofinfluenceoftheannealinginthedifferentmediumsontintib2compositionsproperties |
| first_indexed |
2025-11-26T10:07:02Z |
| last_indexed |
2025-11-26T10:07:02Z |
| _version_ |
1850618460451635200 |
| fulltext |
87
УДК 621.762
Исследование влияния отжига в различных средах
на свойства композиций TiN—TiB 2
А. С. Петухов
Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН
Украины, Киев, e-mail: asp@ipms.kiev.ua
Изучено влияние изотермического отжига в атмосфере азота и в вакууме на
фазовый состав и износостойкость керамических композиций TiN—TiB2 с
содержанием борида 36 и 50% (мас.), полученных электроразрядным спеканием.
После отжига в азоте повышается относительное количество TiN в системе в
результате взаимодействия диборида титана с азотом. Отжиг в вакууме
приводит к уменьшению относительной интенсивности рефлексов TiN и
образованию определенной неидентифицированной кристаллической фазы (типа
TiNxОy), а также к повышению стойкости режущего инструмента с 0,05
до 4,5 мин.
Ключевые слова: изотермический отжиг, износостойкость, композиция TiN—
TiB2, электроразрядное спекание, режущий инструмент.
Введение
Одним из наиболее перспективных способов спекания керамических
композиций является электроразрядное спекание (ЭРС) (SPS — spark plasma
sintering). С технологической точки зрения скорость охлаждения на уста-
новке FCT System GmbH HP D25 должна быть не менее 200—300 К/мин,
что приводит к возникновению остаточных термических напряжений
вследствие неоднородного сжатия поверхностных и внутренних слоев
(напряжения І рода, уравновешивающиеся в объеме всего тела или
отдельных его макрочастей), а также в результате различной величины
коэффициентов термического расширения составляющих композици-
онной керамики. В исследуемой композиции TiN имеет αТ = 9,35·10−6 K-1
при 25—1100 °C, а TiB2 — αТ = 4,6·10−6 K-1 при 25—1100 °C [1]. В послед-
нем случае это напряжения II рода, уравновешивающиеся в объеме
зерна или нескольких блоков. В связи с этим состояние спеченных
образцов термодинамически неустойчиво. При отжиге в них протекают
процессы возврата и рекристаллизации, обусловливающие релаксацию
остаточных термических напряжений.
В работе [2] изучался процесс горячего прессования керамики ZrB2—
SiC—графит. Коэффициенты термического расширения и модули
упругости составляющих ZrB2, SiC и графита сильно различаются между
собой, что приводит к высоким концентрациям остаточных напряжений,
когда керамика охлаждается от температуры горячего прессования (1900
или 2000 °C) до комнатной. Известно, что для релаксации остаточных
напряжений и повышения механических свойств спеченный керамический
материал можно подвергать высокотемпературной обработке в течение
определенного времени, а затем медленно охлаждать до комнатной
температуры [3].
© А. С. Петухов, 2014
88
Рис. 1. Механические свойства образцов керамики ZrB2—SiC—графит до и
после отжига при температурах 1600—1800 °C [4]: а—в — твердость; г—е —
прочность при изгибе; ж—к — трещиностойкость.
В работе [4] керамику TiB2—TiN подвергали горячему прессованию
при Т = 1900 °C в течение 1 ч в атмосфере Ar, охлаждение до комнатной
температуры проводили со скоростью 20 °C/мин. Спеченную керамику
отжигали при 1600, 1700 и 1800 °C без давления в атмосфере Ar при
различных временах выдержки. Скорости нагрева и охлаждения
составляли 10 и 5 °C/мин соответственно. Установлено, что отжиг
стимулирует увеличение прочности связи поверхностей раздела, повыше-
ние относительной плотности, уменьшение термических остаточных
напряжений. Оптимальными условиями отжига являются температура
1700 °C и время выдержки 90 мин, при которых был получен наилучший
комплекс механических свойств (рис. 1). Как видно на рис. 1, отжиг
приводит к значительному повышению твердости и прочности при изгибе.
Однако трещиностойкость при этом понижается. В процессе отжига при
температуре 1700 °C в течение 90 мин твердость и прочность увеличива-
лись на 20,6 и 20,2%, соответственно, трещиностойкость уменьшалась на
8,2%. Отжиг способствовал повышению прочности при изгибе и твер-
дости благодаря увеличению прочности связи поверхностей раздела и
относительной плотности и уменьшению термических остаточных
напряжений. При этом отжиг практически не оказал никакого влияния на
размер зерна.
В работе [5] исследовали влияние температуры ЭРС на фазовый
состав, микроструктуру и механические свойства композитов α-SiC—
α-SiAlON с содержанием 80% (мас.) α-SiC (фаза 6H). Процесс проводили
при 1800—2000 °C в атмосфере азота при давлении 6·104 Па. Отжиг при
1700 °C в течение 30 с после нагрева до 2000 °C приводит к некоторому
П
о
р
и
ст
о
ст
ь
п
р
и
и
зг
и
б
е,
М
П
а
Время выдержки, мин
Т
в
ер
д
о
ст
ь,
Г
П
а
Т
р
ещ
и
н
о
ст
о
й
к
о
ст
ь,
М
П
а·
м
1
/2
Время выдержки, мин Время выдержки, мин Время выдержки, мин
Время выдержки, мин Время выдержки, мин Время выдержки, мин
а б в
г д е
ж з и
1600 оС
1700 оС
1800 оС
1600 оС
1700 оС
1800 оС
1600 оС 1700 оС 1800 оС
Время выдержки, мин Время выдержки, мин
89
увеличению твердости, трещиностойкости и понижению прочности при
изгибе, а также к полиморфному превращению 6H-SiC → 3C-SiC, что
является возможной причиной значительного роста зерна. Предполага-
ется, что полиморфное превращение — следствие активации электри-
ческим током.
Известно, что высокая концентрация дефектов структуры, таких как
микропоры, неравновесные границы зерен, двойниковые границы,
дефекты упаковки и другие, обусловливает нестабильность свойств
материала вследствие большой движущей силы эволюции микрострук-
туры. Необходимо осуществить переход неравновесной структуры в более
устойчивое состояние с целью достижения без- или малодефектного
строения границ зерен, но при этом не допустить роста зерен. Одним из
способов такого перехода может стать отжиг, в котором диффузионные
процессы по границам зерен приводят к совмещению решеток смежных
зерен [6].
В результате реакционного ЭРС керамических композитов TiN—TiB2
из исходных порошковых смесей TiHx + BN химическая реакция, возмож-
но, может проходить не в полной мере, в результате чего в синтези-
рованном композите могут присутствовать остаточные компоненты
реакции (например, BN) [7]. Для прохождения химической реакции до
конца необходим термический отжиг, который также снимает остаточные
напряжения, улучшает качество границ зерен. При этом за счёт диффузии
будет происходить гомогенизация структуры, выравнивание химического
состава в микрообъёмах и в объеме образца. Скорость охлаждения должна
быть достаточно низкой. Это приведет к повышению механических и
режущих свойств керамических композитов TiN—TiB2. Согласно работе
[4], при отсутствии фазовых переходов в температурном интервале отжига
не следует ожидать значительного роста зерна.
Цель данной работы — исследовать влияние изотермического отжига
в атмосфере азота и в вакууме на фазовый состав и износостойкость кера-
мических композиций TiB2—TiN с содержанием борида 36 и 50% (мас.),
полученных реакционным электроразрядным спеканием.
Методика эксперимента и исходные материалы
Проводили электроразрядное спекание. Режимы процесса: скорость
нагрева — 100—200 оС/мин, температура — 1650—1800 оС, пульсирующий
ток, время выдержки — 3 мин, вакуум — 10—100 Па. Температуры спека-
ния и режимы отжига в установке для ЭРС непосредственно после
спекания представлены в табл. 1. Нумерация образцов в табл. 1
соответствует нумерации в табл. 2—5 и на рисунках. Все образцы, за
исключением образца 3, спекали по режиму
20 о
С → 450 °C → 1300 °C → Выдержка 3 мин → 20 о
С
v = 200 оС/мин v = 100 оС/мин T = 1650—1800 оС.
Образец 3 спекали по режиму:
20 о
С → 450 °C → 1300 °C → Выдержка 3 мин → 20 о
С
v = 100 оС/мин v = 25 оС/мин T = 1750 оС.
90
В интервале 20—450 °C температуру пирометрически не определяли.
Образцы 2, 6 и 7 подвергали отжигу в установке для ЭРС с целью
гомогенизации и снятия остаточных напряжений.
Объектами для исследований являлись режущие пластины SNGN
120416, изготовленные из спеченных образцов. Проводили рентгенофа-
зовый анализ (РФА) центральной части полированной поверхности
режущих пластин и поверхности шлифов внутренней части разрезанных
спеченных образцов. Режущие пластины испытывали на токарном станке.
Материал заготовки — закаленная сталь ШХ15, скорость — 100 м/мин,
глубина резания — 0,5 мм, подача — 0,05 мм/об, фаска — 0,07—0,2, без
СОЖ. Отжиг осуществляли в печи Сentorr в азоте (ОЧ, кл. 2, 99,995%) и в
вакууме (остаточное давление 10—100 Па) по следующему режиму:
Нагрев Охлаждение
20 о
С → Выдержка 2 ч, Т = 1400 оС → 20 оС
v = 10 оС/мин v = 10 оС/мин.
Перед отжигом в вакууме образцы тщательно промывали изопропиловым
спиртом, сушили в шкафу при температуре Т = 100 оС в течение 1 ч. Часть
образцов взвешивали до и после отжига.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Результаты РФА образцов, отожженных в вакууме, представлены на
рис. 2. Рентгенофазовый анализ внутренних областей образцов 1 и 5 после
спекания показал наличие очень слабых рефлексов TiO2 при 2θ < 26о
(табл. 2). Это является следствием окисления остаточным оксидом В2О3
активного титана, который образовался в процессе дегидрирования TiH2 в
соответствии со следующими реакциями:
TiH2 = Ti + H2↑;
3Ti + 2В2О3 = 3TiO2 + 4B.
Бор не определяется на дифрактограммах вследствие его возможной
рентгеноаморфности. Оксид В2О3 является составляющей исходных
порошков B и BN. Отсутствие В2О3 в поверхностных слоях образцов
объясняется высокой упругостью паров данного оксида и, соответственно,
его испарением при ЭРС. В процессе спекания остаточное давление
колеблется в пределах 10—100 Па, в то время как, по данным работы [8],
при 1650—1800 °C упругость паров В2О3 составляет 1790—8290 Па.
Отжиг в установке для ЭРС непосредственно после спекания образцов 6
и 7 улучшает фазовый состав на поверхности пластин по сравнению с
неотожженным образцом 5 (табл. 2), что является результатом прохождения
химической реакции синтеза композиции TiB2—TiN до конца. Отжиг в
вакууме (образцы 1, 4, 5, 7) приводит к уменьшению относительной
интенсивности рефлексов TiN и образованию определенной неидентифици-
рованной кристаллической фазы (рис. 2, табл. 3), что может указывать на
превращение части нитрида в другую кристаллическую фазу типа TiNxОy при
отжиге. Данный процесс, а также образование оксида TiO2 (образцы 5, 7,
рис. 2, в, г) свидетельствуют о некотором деазотировании нитрида и окисле-
нии активного образовавшегося титана атомами остаточного кислорода.
В результате деазотирования нитрида и взаимодействия образовавшегося
титана с TiB2 появляется некоторое количество Ti3B4. Рефлексы данной
фазы заметны на дифрактограммах композиций с повышенным содержа-
91
Рис. 2, а—в.
3
0
40 5
0
60 70 80 90
2θ, град
0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
И
н
те
н
си
в
н
о
ст
ь
, о
тн
. е
д
.
в
20 30 40 50 60 70 80 90 100
2θ, град
0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
C
ou
nt
s
И
н
те
н
си
в
н
о
ст
ь
, о
тн
. е
д
.
б
20 30 40 50 60 70 80 90
2θ, град
0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
И
н
те
н
си
в
н
о
ст
ь
, о
тн
. е
д
.
а
92
Рис. 2. Дифрактограммы образцов 1 (36% (мас.) TiB2) (а),
4 (36% (мас.) TiB2) (б), 5 (50% (мас.) TiB2) (в) и 7 (50% (мас.) TiB2) (г):
∆ — TiB2; ◊ — TiN; ○ — неидентифицированная фаза; □ —
Ti3B4; — TiO2.
нием TiB2 (50% (мас.)). Существование борида титана состава Ti3B4
подтверждено в работе [9]. Все это можно объяснить завышенной
температурой спекания.
Отжиг в азоте (табл. 3, образцы 3, 8) приводит к повышению отно-
сительного количества TiN в системе вследствие прохождения реакции
TiB2 + N2 = TiN + B + BN.
При этом BN определяется только на дифрактограмме образца 8 с
содержанием 50% (мас.) TiB2 (табл. 3). Данный образец имеет более
высокое содержание TiB2. Максимальный пик BN находится при угле
отражения 2θ ≈ 27о. Отсутствие рефлексов В на данной дифрактограмме и
рефлексов B и BN на дифрактограмме образца 3 (36% (мас.) TiB2)
свидетельствует о возможной рентгеноаморфности бора и нитрида бора.
Т а б л и ц а 1. Режимы спекания и отжига в установке
для ЭРС непосредственно после спекания керамики
TiB 2—TiN
Номер
образца
Содержа
ние TiB2,
% (мас.)
Темпера-
тура
выдерж-
ки, °C
Параметры отжига
1 36 1650 —
2 -"- 1650 Отжиг при 1200 °C, 30 мин
3 -"- 1750 —
4 -"- 1750 —
5 50 1700 —
6 50 1700 Отжиг при 1200 °C, 30 мин
7 -"- 1700
Отжиг при 1150 °C, 30 мин +
+ отжиг при 600 °C, 30 мин
8 -"- 1800 —
20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
10
20
30
40
50
C
ou
nt
s
И
н
те
н
си
в
н
о
ст
ь
, о
тн
. е
д
. г
2θ, град
93
Т а б л и ц а 2. Результаты РФА спеченных образцов и режущих
пластин композиции TiB2—TiN
*
Отжиг проводился непосредственно после спекания в установке ЭРС.
**
о.с. — очень сильная; с — сильная; ср — средняя; сл. — слабая; о.сл. — очень
слабая относительная интенсивность рефлексов на дифрактограммах.
Т а б л и ц а 3. Результаты РФА поверхности режущих пластин
композиции TiB2—TiN до и после отжига
Примечание: расшифровку индексов интенсивности фаз см. в табл. 2.
В табл. 4. представлены результаты изменения массы некоторых
образцов в процессе отжига в вакууме. Образец 4 потерял 0,67% массы
при отжиге, что соответствует ~4,6% возможной потери азота от
стехиометрического содержания в TiN (14,5% (мас.) в составе композита).
На основании анализа дифрактограмм (рис. 2) и данных табл. 3 и 4 можно
сделать вывод, что в результате отжига в вакууме изменяется фазовый
состав образцов и, соответственно, их масса. Изменение массы образцов
после отжига не коррелирует с соответствующими значениями относи-
тельной плотности. Это свидетельствует о том, что уменьшение массы
Номер
образца
Содержа-
ние TiB2,
% (мас.)
Скорость
нагрева,
°C /мин
Темпера-
тура
выдерж-
ки, °C
Параметры
отжига*
Объект
съемки
Фазовый
состав**
Поверх-
ность
пластины
TiNО.С. + TiB2ср.
1 36 200 1650 —
Объем
образца
TiNО.С. + ТiB2ср.+
+ TiO2о.сл.
Поверх-
ность
пластины
TiB2О.С. + TiNС +
+ следы BN
5 50 200 1700 —
Объем
образца
TiB2О.С. + TiNО.С. +
+ следы TiO2
6 50 200 1700
Отжиг при 1200 °C,
30 мин
Поверх-
ность
пластины
TiB2О.С. + TiNО.С.
7 50 200 1700
Отжиг при 1150 °C,
30 мин + отжиг при
600 °C, 30 мин
Поверх-
ность
пластины
TiB2О.С. + TiNО.С.
Фазовый состав
Номер
образца
Содер-
жание
TiB2,
% (мас.)
Скорость
нагрева,
°C /мин
Темпера-
тура
выдерж-
ки, °C
Среда
отжига
до отжига после отжига
1 36 200 1650 Вакуум TiNО.С. + TiB2ср TiB2О.С. + TiNср.+
+ неид. фазао.сл.
4 36 200 1750 -,,- TiNО.С. + TiB2ср.+
+ следы BN
TiB2О.С. + TiNО.С.+
+ неид. фазао.сл. +
+ следы BN
5 50 200 1700 -,,- TiB2О.С. + TiNС +
+ следы BN
TiB2О.С. + TiNсл.+
+ неид. фазасл..+
+ TiO2о.сл. + Ti3B4 о.сл.
7 50 200 1700 -,,- TiB2О.С. + TiNО.С. TiB2О.С. + TiNсл..+
+ TiO2сл..+ неид.
фазао.сл. + Ti3B4 о.сл.
3 36 100 1750 Азот TiNО.С. + TiB2ср. TiNО.С. + TiB2о.сл.
8 50 200 1800 -"- TiB2О.С. + TiNС. TiNО.С. + TiB2сл.+
+ BNо.сл.
94
Т а б л и ц а 4. Масса образцов TiB2—TiN после сушки и отжига
в вакууме
Т а б л и ц а 5. Результаты испытаний режущих пластин TiN—TiB 2
до и после отжига
Стойкость пластин*
(мин) при фаске
Высота скола (мм) при
фаске
Номер
образ-
ца
Содер-
жание
TiB2,
% (мас.) 0,07 0,15 0,07 0,15
Среда
отжига
1 36 0,08
0,33
2,17
4,5 3,0
−
0,3
0,3
Вакуум
2 36 0,08
—
0,25
—
0,45
–
0,45
—
—
4 36 0,251
0,40
1,5
3,02
0,4
0,3
0,6
0,5
Вакуум
5 50 0,053
0,25 5,3
−
0,4
0,4 45,0
−
Вакуум
6 50 0,75
—
10,0
—
0,4
—
Микроскол
0,65
—
7 50 0,15
0,40
1,5
2,5
0,45
0,3
0,45
0,45
Вакуум
3 36 0,08
–
0,08
0,254 —
0,33 при
Ф 0,2
0,75
—
0,4
—
Азот
8 50
5,0
−
0,33
1,0 13,0
−
0,4
Разрушение
вершины
Азот
*
Верхнее число — до отжига, нижнее — после.
1
Работал 1 мин, износ по задней грани 0,6 мм. 2
Все грани пластины испытаны,
произведена повторная заточка. Низкое качество обработки поверхности.
3
Работал 2 мин, износ по задней грани 0,7 мм. 4
Все грани пластины испытаны,
произведена повторная заточка.
образцов при отжиге не связано с испарением влаги или спирта, которые
могли находится в порах.
Результаты испытаний режущих пластин TiN—TiB2 представлены в
табл. 5. Как следует из таблицы, увеличение ширины фаски режущей
пластины, как правило, приводит к значительному повышению стойкости
до отжига с 0,05 до 10,0 мин и с 0,25 до 4,5 мин — после отжига, что
обусловлено ростом прочности режущей кромки. Прочностные свойства
Масса, г Номер
образца
Содержание
TiB2,
% (мас.)
Относительная
плотность, % сушка отжиг в
вакууме
Изменение
массы, %
1 36 98,8 3,7230 3,6986 0,66
4 36 98,3 3,7269 3,7020 0,67
5 50 98,6 3,2428 3,2364 0,20
7 50 99,0 3,6681 3,6586 0,26
95
исследуемой композиции TiN—TiB2 повышаются в результате отжига как
в азоте, так и в вакууме. Это способствует увеличению стойкости
режущего инструмента с 0,05 до 4,5 мин. Причем после отжига
осуществляли повторную заточку по уже испытанным граням. В связи
с достаточно низкой скоростью резания в нашем случае преобладают
абразивное, адгезионное и усталостное изнашивание. При данных видах
износа решающее значение имеют механические свойства материала
режущего инструмента.
Выводы
Не удалось обнаружить заметного влияния состава исследуемых
композиций, режимов спекания и отжига на фазовый состав, а также на
эксплуатационные свойства спеченных и отожженных режущих пластин.
Отжиг в установке для ЭРС непосредственно после спекания приводит
к некоторому улучшению фазового состава на поверхности пластин, что
является результатом прохождения химической реакции синтеза
композиции TiB2—TiN до конца.
На дифрактограммах, полученных съемкой внутренних областей
образцов, наблюдаются очень слабые рефлексы TiO2. Это следствие
окисления остаточным оксидом В2О3 активного титана, который
образовался в процессе дегидрирования TiH2. Отсутствие В2О3 в
поверхностных слоях образцов объясняется высокой упругостью паров
данного оксида и, соответственно, его испарением при ЭРС.
Отжиг в вакууме приводит к уменьшению относительной интенсив-
ности рефлексов TiN и образованию определенной неидентифициро-
ванной кристаллической фазы (типа TiNxОy). Данный процесс, а также
формирование оксида TiO2 свидетельствуют о некотором деазотировании
нитрида и окислении активного образовавшегося титана атомами остаточ-
ного кислорода. В результате деазотирования нитрида и взаимодействия
образовавшегося титана с TiB2 образуется некоторое количество Ti3B4. Все
это можно объяснить завышенной температурой отжига.
Отжиг в азоте приводит к повышению относительного количества TiN
в системе вследствие взаимодействия диборида титана с азотом.
Отсутствие рефлексов B и BN на дифрактограммах свидетельствует о
возможной рентгеноаморфности бора и нитрида бора.
Увеличение ширины фаски режущей пластины, как правило,
способствует значительному повышению стойкости до отжига с 0,05 до
10,0 мин, что обусловлено повышением прочности режущей кромки.
Прочностные свойства исследуемой композиции TiB2—TiN после отжига
повышаются. При этом стойкость режущего инструмента растет с 0,05 до
4,5 мин. Преобладают абразивное, адгезионное и усталостное изнаши-
вание.
1. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: (Справ.) / Под
ред. Т. Я. Косолаповой. — М. : Металлургия, 1986. — 928 с.
2. Wang Z. Effect of graphite flake on microstructure as well as mechanical properties and
thermal shock resistance of ZrB2—SiC matrix ultrahigh temperature ceramics /
[Z. Wang, S. Wang, X. H. Zhang et al.] // J. Alloys Compd. — 2009. — 484. — Р. 390.
3. Hu J. Effect of annealing treatment on microstructure and tensile strength of alumina
borate whisker-reinforced Al—Mg composite / [J. Hu, J. X. Zhang, S. W. Tang,
W. C. Ren] // Mater. Sci. Eng.: A. — 2006. — 433. — Р. 94—99.
96
4. Wang Z. Effect of annealing treatment on mechanical properties of a ZrB2—SiC—
graphite ceramic / Z. Wang, Z. Wu, G. Shi // Mater. Sci. and Eng. — 2011. —
528, No. 6. — P. 2870—2874.
5. Limeng L. Synthesis of α-SiC/α-SiAlON composites by spark plasma sintering:
Phase formation and microstructures development / [L. Limeng, Y. Feng, H. Xiu-
lan, Z. Yu] // J. of the European Ceram. Soc. — 2011. — 31. — P. 2129—2135.
6. Ragulya A. V. Consolidated nanostructured materials / A. V. Ragulya, V. V. Sko-
rokhod. — K. : Nauk. dumka, 2007. — 374 p.
7. Petukhov A. S. Reactive electric discharge sintering of TiN—TiB2 / [A. S. Petu-
khov, I. V. Khobta, A. V. Ragulya et al.] // Powder Metallurgy and Metal
Ceramics. — 2007. — 46, No. 11—12. — P. 525—532.
8. Самсонов Г. В. Физико-химические свойства окислов: (Справ.) / [Г. В. Сам-
сонов, Т. Г. Буланкова, А. Л. Бурыкина и др.]. — М. : Металлургия, 1969. —
190 c.
9. Самсонов Г. В. Бориды / Г. В. Самсонов, Т. И. Серебрякова, В. А. Неронов. —
M. : Атомиздат, 1975. — 376 c.
Дослідження впливу відпалу в різних середовищах
на властивості композицій TiN—TiB 2
О. С. Петухов
Вивчено вплив ізотермічного відпалу в атмосфері азоту і у вакуумі на фазовий
склад і зносостійкість керамічних композицій TiN—TiB2 із вмістом бориду 36 і
50% (мас.), отриманих електророзрядним спіканням. Після відпалу в азоті
підвищується відносна кількість TiN в результаті взаємодії диборида титану з
азотом. Відпал у вакуумі призводить до зменшення відносної інтенсивності
рефлексів TiN і формуванню певної неідентифікованої кристалічної фази (типу
TiNxОy), а також до підвищення стійкості різального інструменту після відпалу
у вакуумі з 0,05 до 4,5 хв.
Ключові слова: ізотермічний відпал, зносостійкість, композиція TiN—TiB2,
електророзрядне спікання, різальний інструмент.
Research of influence of the annealing in the different mediums
on TiN—TiB 2 compositions properties
O. Petukhov
Influence of the isothermal annealing in the nitrogen atmosphere and in a vacuum on
phase composition and wear resistance of TiN—TiB2 ceramic composites with boride
content of 36 and 50% (wt.) obtained by electric discharge sintering was studied. The
annealing in a vacuum resulted in relative intensity reduction of TiN reflexes and
formation of the certain unidentified crystalline phase (TiNxОy type), after the annealing
in nitrogen the relative amount of TiN rose as a result of titan diboride interaction with
nitrogen. Wear resistance of the cutting tool after the annealing in a vacuum rose from
0,05 to 4,5 min.
Keywords: isothermal annealing, wear resistance, TiN—TiB2 composite, electric
discharge sintering, cutting tool.
|