Вплив міжфазної границі «алмаз – металева зв’язка» на коефіцієнт термічного розширення та зносостійкість електроспечених КАМ
Розроблено мікромеханічну модель композиту з недосконалим контактом фаз, яка враховує вплив ступеню недосконалості міжфазної границі “алмаз-металева зв’язка” на коефіцієнт термічного розширення (КТР) та зносостійкість алмазовмісного композиту (КАМ). Міжфазна границя моделюється відповідними контактн...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Дата: | 2018 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/144439 |
| 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: | Вплив міжфазної границі «алмаз – металева зв’язка» на коефіцієнт термічного розширення та зносостійкість електроспечених КАМ / А.С. Бєляєв, В.С. Чернобай, Р.С. Шмегера, О.П. Виноградова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2018. — Вип. 21. — С. 384-391. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860046518087581696 |
|---|---|
| author | Бєляєв, А.С. Чернобай, В.С. Шмегера, Р.С. Виноградова, О.П. |
| author_facet | Бєляєв, А.С. Чернобай, В.С. Шмегера, Р.С. Виноградова, О.П. |
| citation_txt | Вплив міжфазної границі «алмаз – металева зв’язка» на коефіцієнт термічного розширення та зносостійкість електроспечених КАМ / А.С. Бєляєв, В.С. Чернобай, Р.С. Шмегера, О.П. Виноградова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2018. — Вип. 21. — С. 384-391. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | Розроблено мікромеханічну модель композиту з недосконалим контактом фаз, яка враховує вплив ступеню недосконалості міжфазної границі “алмаз-металева зв’язка” на коефіцієнт термічного розширення (КТР) та зносостійкість алмазовмісного композиту (КАМ). Міжфазна границя моделюється відповідними контактними умовами на поверхні розділу, а пружно-механічні константи матеріалів фаз визначаються дослідним шляхом або з теоретичних моделей нижчого рівня. Отримані теоретичні дані експериментально підтверджені для зразків електроспечених КАМ на зв’язці NiSn(6%) з включеннями синтетичних алмазів з різними типами покритів та без. Модель дозволяє якісно оцінити вплив контактної пружності міжфазної границі та розміру включень на КТР. Встановлено, що механічне нанесення хрому на алмазні зерна сприяє підвищенню КТР та зносостійкості КАМ даного класу, за рахунок більш якісного міжфазного зв’язку.
Разработана микромеханическая модель композита с несовершенным контактом фаз, учитывающая влияние степени несовершенности межфазной границы «алмаз – металлическая связка» на коэффициент термического расширения (КТР) и износостойкость алмазосодержащего композита (КАМ). Межфазная граница моделируется соответствующими контактными условиями на поверхности раздела, а упруго-механические константы материалов фаз определяются опытным путем либо из теоретических моделей низшего уровня. Полученные теоретические данные экспериментально подтверждены для образцов електроспеченных КАМ на связке NiSn (6%) с включениями синтетических алмазов с различными типами покрытий и без. Модель позволяет качественно оценить влияние контактной упругости межфазной границы и размера включений на КТР. Установлено, что механическое нанесение хрома на алмазные зерна способствует повышению КТР и износостойкости КАМ данного класса за счет более качественного межфазного контакта.
The micromechanical model of a composite with an imperfect interface is developed. It considers the effect of the degree of imperfection of the diamond-metal interface on the coefficient of thermal expansion (CTE) and wear resistance of the diamond composite. The interphase boundary is modeled by the corresponding contact conditions at the interface and the elastic-mechanical constants of the phase materials are determined experimentally or from theoretical models of the lowest level. The obtained theoretical data were experimentally confirmed for the samples of composites produced by electrosintering method on a NiSn(6%) bond with inclusions of synthetic diamonds with different types of coatings and without coating. This model can evaluate the effect of the contact elasticity of the interface and the size of the inclusions on the CTE. It exhibits that the mechanical covering of chromium to diamond grains leads to an increase of CTE and wear resistance of diamond composites of this class, due to a better interfacial contact.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:58:28Z |
| format | Article |
| fulltext |
Выпуск 21. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
384
Superhard Materials, 1, 18–35 [in Russian].
5. Ivzhenko, V. V., Novikov, N. V., Sarnavskaya, G. F. et al. (2009). Issledovanie uprugogo
posledeystviia pri inzhektsionnom lite termoplastichnykh mass na osnove poroshkov SiC,
AlN, WC i yego vliianiia na mekhanicheskie svoistva materiala zagotovok izdelii
[Investigation of the elastic aftereffect at injection molding of thermoplastic masses on the
base of SiC, AlN, WC powders and its influence on the mechanical properties of the
preforming material]. Sverkhtverdyye mater. – Superhard Materials, 1, 49–57 [in
Russian].
6. Ivzhenko, V. V., Kaidash, O. N., Sarnavskaya, G. F. et al. (2016). Poluchenie i svoistva
goriachepressovannykh materialov na osnove karbida kremniia s dobavkami karbidov
bora i titana [Production and properties of hot-pressed materials based on silicon carbide
with addition of boron carbide and titanium0. Sverkhtverdyye mater. – Superhard
Materials, 5, 25–34 [in Russian].
7. Lee, S. K., & Kim, C. H. (1994). Effects of α–SiC versus β–SiC starting powders on
microstructure and fracture toughness of SiC sintered with Al2O3–Y2O3 additives. J.
Amer. Ceram. Soc., Vol. 77, 6, 1655–1658.
8. Fan, J. and Chu, P.K. (2014). Silicon Carbide Nanostructures. Fabrication, structure and
properties. Chapter 2 – General Properties of Bulk SiC. Engineering Materials and
Processes. 9hh. 7–114). Springer International Publishing Switzerland.
9. Grigorev, O. N., Gogotsi, G. A., Gogotsi, YU. G., Subbotin, V. I., & Brodnikovskii, N. P.
(2000). Poluchenie i svoistva keramiki sistemy SiC–B4C–MeB2 [Production and
properties of ceramics of the SiC–B4C–MeB2 system]. Poroshkovaia metallurgiia –
Powder metallurgy, 5/6, 29–42 [in Russian].
УДК 621.921.34 – 419: 004.942
А. С. Бєляєв, В. С.Чернобай;
Р. С. Шмегера, О. П. Виноградова, кандидати технічних наук
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, вул.Автозаводська 2,
04074 м. Київ
ВПЛИВ МІЖФАЗНОЇ ГРАНИЦІ «АЛМАЗ-МЕТАЛЕВА ЗВ’ЯЗКА» НА КОЕФІЦІЄНТ
ТЕРМІЧНОГО РОЗШИРЕННЯ ТА ЗНОСОСТІЙКІСТЬ ЕЛЕКТРОСПЕЧЕНИХ КАМ
Розроблено мікромеханічну модель композиту з недосконалим контактом фаз, яка враховує
вплив ступеню недосконалості міжфазної границі “алмаз-металева зв’язка” на коефіцієнт
термічного розширення (КТР) та зносостійкість алмазовмісного композиту (КАМ). Міжфазна
границя моделюється відповідними контактними умовами на поверхні розділу, а пружно-механічні
константи матеріалів фаз визначаються дослідним шляхом або з теоретичних моделей нижчого
рівня. Отримані теоретичні дані експериментально підтверджені для зразків електроспечених КАМ
на зв’язці NiSn(6%) з включеннями синтетичних алмазів з різними типами покритів та без. Модель
дозволяє якісно оцінити вплив контактної пружності міжфазної границі та розміру включень на
КТР. Встановлено, що механічне нанесення хрому на алмазні зерна сприяє підвищенню КТР та
зносостійкості КАМ даного класу, за рахунок більш якісного міжфазного зв’язку.
РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО
ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ, В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
385
Ключові слова: модель, міжфазна границя, контактна пружність, коефіцієнт термічного
розширення, алмазовмісні композити, зносостійкість.
Вступ
Алмазовмісні композити на металевих зв'язках широко використовуються для
виробництва бурового та каменеобробного інструменту. Оскільки елементи з КАМ у такому
інструменті працюють при значних термосилових навантаженнях, здатність КАМ
утримувати алмази у робочому шарі та відводити тепло з робочої зони є суттєвими
чинниками, які впливають на якість роботи інструменту. Для наведених факторів впливу
стан міжфазної границі «алмаз-зв’язка» є визначальним. Метою даної роботи є розробка
способу теоретичної оцінки такого впливу.
В основу теоретичного підходу покладено мембранну модель міжфазної поверхні, у
якій недосконала міжфазна границя моделюється заданням відповідних контактних умов на
поверхні розділу. Контактна пружність є параметром цієї континуальної моделі і являє
собою кількісну характеристику міжфазної границі композиту. Для її оцінки використано
коефіцієнт термічного розширення композиту, який є структурно-чутливим параметром.
Його вимірювання і наступний аналіз дозволяють зробити висновок про стан міжфазної
границі алмаз-зв’язка і працездатність створеного на основі КАМ алмазного інструменту.
Теоретична модель
Постановка задачі. В якості мікромеханічної моделі розглянуто композит матричного
типу з ізотропними фазами, пружні властивості яких задано модулем Юнга
)( iE і
коефіцієнтом Пуасона
)( i . Індекс i = 0 використано для матриці, i = 1 – для включень.
Постановка модельної крайової задачі для оцінки ефективної пружності композиту з
адгезійним контактом включає рівняння пружної рівноваги, умови зовнішнього
навантаження та умови адгезійного контакту на поверхні розділу S . Останні задано у
вигляді
)( (1)(0)(1)(0)
nnnnn
uuDTT , (2)
де Tn – нормальна компонента вектору нормальних напружень T, Dn – контактна пружність,
un – переміщення.
В роботі розвинуто підхід, який базується на схемі усереднення Максвела і дозволяє
одержати прямий аналог формули Хасельмана-Джонсона для ефективних пружних
властивостей композита матричного типу зі сферичними включеннями і недосконалим
контактом фаз.
Мікромеханічна модель для оцінки ефективної пружності та термічного розширення
композиту. Запропонований Максвелом [1] підхід до визначення ефективних властивостей
структурно-неоднорідних матеріалів базується на порівнянні асимптотик збурень від
представницького об’єму реального композиту і еквівалентного однорідного включення з
заздалегідь невідомими ефективними властивостями. Що важливо, умова рівності вказаних
асимптотик еквівалентна умові рівності відповідних дипольних моментів [2]. При цьому,
дипольний момент представницького об’єму дорівнює сумі дипольних моментів кожного
окремого включення. Це дозволяє сформулювати схему усереднення по Максвелу для
пружності у вигляді:
;);( *)(
eqi
i
i
i
i
cVV CtCt (1)
Выпуск 21. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
386
де с – об’ємний вміст включень в композиті, t –тензор дипольних моментів включень, Vi –
об’єм i-того включення, Veq – об’єм еквівалентного включення. З цих рівнянь тензор
ефективної пружності композиту
*
C (тензор, у загальному випадку) визначається
однозначним чином. Макроскопічна пружна поведінка ізотропного композиту повністю
визначається двома ефективними константами, зокрема модулями об’ємного стиску
k та
зсуву
1
:
1212
11221111
1
11221111 =
2
=;
3
2
= C
CCCC
k
Для визначення ефективного коефіцієнту термічного розширення для КАМ з
недосконалим контактом фаз, скористаємось мультипольним підходом [3], який базується на
розвиненні переміщень і напружень в ряд по гармонікам з невідомими коефіцієнтами, у
поєднанні зі схемою Максвела (1). Тепер достатньо розглянути нагрів композиту на T за
відсутності зовнішніх навантажень. Відповідна одночастковій моделі крайова задача є
центрально-симетричною, що суттєво спрощує її аналіз. Так, мультипольні розклади переміщень
та напружень містять лише одну гармоніку. Їх підстановка у (2) після певних алгебраїчних
перетворень дозволяє отримати вираз для ефективного об’ємного модуля у вигляді
,
1
3
4
1
=
(1)
00
(1)
00
0
0
0 cA
cA
k
k
k
(3)
де
(1)
00
A - коефіцієнт при першій гармоніці розвинення у ряд переміщень у включеннях. При
всебічному розтягу 1=== 332211 EEE
(1)
00
A є єдиним ненульовим коефіцієнтом і дорівнює
n
n
n
n
RDk
RDkk
RDk
RDk
R
A
10
1
0
0
10
1
3
(1)
00
32
3
2/
2
3
32
3
=
.
Порівнюючи отримане співвідношення (3) із аналогічними виразами для
еквівалентного включення з властивостями
*k та
* , отримаємо формулу для КТР:
0
*
0
01
0
* 11
)/1/1( kkkk
e
(4)
де
n
n
e
RDk
RDk
k
1
1
3
3
.
Дослідні дані
З метою дослідження впливу міжфазних границь на КТР та зносостійкість, методом
інтенсивного електроспікання, були виготовлені зразки КАМ: на основі матриці NiSn(6%) з
алмазами марки АС 300Т зернистістю 400/315 мкм без покриття та з покриттями гідриду
титану (ТіH2) та хрому (Сr), нанесеними механічном способом; на основі матриці NiSn(6%) з
алмазами марки АС160Т зернистістю 400/315 мкм з покриттям корбідом титану TiC,
нанесеним іонно-плазмовим методом.
РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО
ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ, В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
387
Коефіцієнт термічного розширення КАМ. На рис.1 приведено значення КТР, отримані
дослідним шляхом, в
діапазоні температури від 100
до 200°С для чистого нікелю
[5] (крива 1), зв’язки Ni6%Sn
(крива 2) та КАМ з алмазами,
покритими TiH2 (крива 3), TiC
(крива 4) і Cr (криві 5 і 6).
Штрих-пунктирна
лінія 7 побудована відповідно
до теоретичної моделі (4) в
припущенні, що механічний
контакт між фазами є
ідеальним. Як і варто було
очікувати з огляду на малий
КТР (1.0·10-6 [1/К]) і великий
модуль Юнга (1150 ГПа)
алмазу, в останньому випадку
КТР композиту є найменшим
і зростає по мірі збільшення
температури (погіршення контакту). КАМ з алмазами покритими хромом (лінії 5, 6) мають
найменший КТР з усіх досліджених, що говорить про гарний контакт між фазами, який є
максимально наближеним до ідеального.
Зносостійкість КАМ. Випробування на зносостійкість породоруйнівних елементів з
КАМ проводили згідно методики наведеній у [4]. В якості елементу, для руйнування
використали міцний сірий пісковик Торезького родовища України IX категорії буримості
(твердість по штампу Рш = 2,90 ГПа), який має стабільні фізико-механічні властивості,
високу абразивність та твердість. Інтенсивність зносу I (мг/м) розраховувалася як
співвідношення втрати маси породоруйнівного елемента Δm = mн – mк до величини проходки
L на елемент, де mн та mк (мг) – маса зразка відповідно до і після випробування:
m
I
L
; 60
Dn
L t
де D – діаметр керну, м; n – частота обертання шпинделя станка, хв-1; t – тривалість
руйнування, хв. Було виконано два дослідних випробування КАМ на зносостійкість, при
заглибленні 0,5 мм. та 1 мм. Одержані дослідні дані наведено в таблицях 1 та 2.
Таблиця 1. Випробування породоруйнівних елементів з КАМ на зносостійкість при
заглибленні 0,5 мм
№ елементу із КАМ
Зусилля
притиску
вставки, Н
Контактні
напруження
МПа
Втрата
маси, мг
Інтенсивність
зношувания по
масі, I, мг/км
1 2 3 4 5
1 – АС 300Т без покриття 200 2,76 69,0 70,8
2 – АС 300Т з механічно
нанесеним покриттям ТіH2
200 2,76 87,0 94,2
Рис. 1. Залежність коефіцієнта термічного розширення
матеріалу зв’язки Ni6%Sn і КАМ від температури і
матеріалу покриття
Выпуск 21. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
388
Закінчення табл. 1
1 2 3 4 5
3 – АС160Т з іоно-
плазмовим покриттям Ti
200 2,76 77,0 91,1
4 – АС 300Т з механічно
нанесеним покриттям Сr
200 2,76 45,0 56,3
Таблиця 2. Випробування породоруйнівних елементів з КАМ на зносостійкість при
заглибленні 1,0 мм
№ елементу
із КАМ
Зусилля
притиску
вставки, Н
Контактні
напруження
МПа
Втрата
маси, мг
Інтенсивність
зношувания по
масі,
I, мг/км
1 – АС 300Т без
покриття
230 3,17 329 506,2
2– АС 300Т з механічно
нанесеним покриттям
ТіH2
230 3,17 189 337,5
3– АС160Т з іоно-
плазмовим покриттям Ti
300 4,14 139 293,7
4– АС 300Т з механічно
нанесеним покриттям Сr
250 3,45 114 271,4
Як видно з табл. 1, найвищу зносостійкість має зразок №4 з покриттям хрому, така ж
тенденція зберігається і для даних таблиці 2, які відповідають заглибленню зразка в породу
на 1,0 мм. Тут абсолютна величина інтенсивності зношування суттєво (до 5 разів) більша,
оскільки в даному випадку величина навантаження на зразок була закритичною і відповідала
режиму так званого блокованого різання. Але навіть в такому «критичному» випадку вплив
типу покриття і обумовлених ним властивостей міжфазної границі є очевидним.
Аналіз та порівняння отриманих результатів
Теоретична модель (4) не тільки дозволяє розрахувати ефективний КТР композиту
при різних контактних умовах між фазами, але і отримати теоретичні значення ефективного
КТР композиту як функції радіусу включень для ряду значень контактної пружності Dn
(рис. 2.) На цьому ж графіку, чорними кружечками позначено дослідні дані по КТР при Т =
150 °С для композита з 100% концентрацією c = 0,25 алмазів зернистістю 400/315 (середній
радіус R = 180 мкм), покритими хромом, карбідом титану та гідридом титану. Наведені дані
демонструють суттєву залежність коефіцієнту термічного розширення композиту як від
зернистості алмазів (питомої площі поверхні розділу фаз), так і від якості міжфазного
контакту.
РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО
ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ, В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
389
0 100 200 300 400 500
9
10
11
12
13
14
TiC
D
n
/
0
= 10
5
D
n
/
0
= 10
6
D
n
=
D
n
/
0
= 10
7
К
Т
Р
к
о
м
п
о
зи
ту
,
1
/К
Радіус включення R, мкм
D
n
= 0 (пористе тіло)
TiH
2
Cr
Рис.2. Залежність ефективного КТР КАМ від розміру включень. Нижня пунктирна пряма
відповідає Dn = ∞ (досконалий контакт), нижня штрих-пунктирна пряма – Dn = 0
(відсутність контакту); кружки – дослідні дані
На основі дослідних даних по КТР композита, шляхом розв’язання зворотньої задачі,
можна оцінити контактну пружність міжфазної границі. В таблиці 3. приведено значення
ефективного КТР композиту, який містить алмазні кристали зернистістю 400/315 з
покриттям, та перераховані за формулою (4) значення Dn/μ0 [1/м].
Таблиця 3. Залежність КТР композиту α* і контактної пружності Dn/μ0 міжфазної
границі КАМ від температури і матеріалу покриття
T = 100°С T = 150°С T = 200°С
№ Алмази α*, [1/К]
Dn/μ0,
[1/м]
α*, [1/К]
Dn/μ0,
[1/м]
α*, [1/К]
Dn/μ0,
[1/м]
1 покриття TiH2 12,0·10-6 3,6·105 11,9·10-6 6,6·105 12,6·10-6 6,3·105
2 покриття TiC 9,9·10-6 3,0·106 11,7·10-6 7,9·105 12,8·10-6 5,2·105
3
покриття Cr
(№1)
9,4·10-6 7,1·106 9,8·10-6
7,2·106 10,6·10-6 4,4·106
4
покриття Cr
(№2)
9,0·10-6 4,0·107 9,7·10-6 9,0·106
10,4·10-6 6,1·106
Розрахунки показують, що у випадку покриття алмазного зерна хромом значення Dn є
на порядок вище ніж для титану. Цей результат є певною мірою неочікуваним, оскільки
наявні літературні дані говорять про добру адгезію титану до алмазу. Імовірною причиною є
те, що вибрані нами термобарочасові параметри процесу інтенсивного електроспікання для
дослідних зразків КАМ не забезпечили надійного з’єднання алмазів з матрицею. Зокрема,
негативні наслідки могла мати дисоціація TiH2 з утворенням вільного водню у вигляді
Выпуск 21. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
390
пороутворення або гідрогенізації алмазних граней, яка призводить до катастрофічного
зменшення роботи адгезії алмазу з металом [6]. Отримані значення Dn для покриття хрому є
найбільш близькими до досконалого міжфазного контакту.
Отже зразки КАМ з алмазми покритими хромом мають найнижчий ефективний КТР,
що обумовлено якісним міжфазним контактом який характеризується найвищім значенням
контактної пружності.
Висновки
Розроблено мікромеханічну модель композиту з недосконалим контактом фаз для
оцінки впливу контактної пружності міжфазної границі на коефіцієнт термічного
розширення композиту. Модель дозволяє, шляхом вирішення оберненої задачі, кількісно
оцінити значення контактної пружності міжфазної границі. Виконано і дослідно
підтверджено теоретичну оцінку впливу розміру включень та ступеню недосконалості
міжфазної границі на коефіцієнт термічного розширення. Дослідним шляхом доведено, що
механічне нанесення хрому на алмазні зерна є на даний час найбільш ефективним способом
підвищення зносостійкості та КТР електроспечених КАМ даного класу.
Разработана микромеханическая модель композита с несовершенным контактом фаз,
учитывающая влияние степени несовершенности межфазной границы «алмаз – металлическая
связка» на коэффициент термического расширения (КТР) и износостойкость алмазосодержащего
композита (КАМ). Межфазная граница моделируется соответствующими контактными условиями
на поверхности раздела, а упруго-механические константы материалов фаз определяются опытным
путем либо из теоретических моделей низшего уровня. Полученные теоретические данные
экспериментально подтверждены для образцов електроспеченных КАМ на связке NiSn (6%) с
включениями синтетических алмазов с различными типами покрытий и без. Модель позволяет
качественно оценить влияние контактной упругости межфазной границы и размера включений на
КТР. Установлено, что механическое нанесение хрома на алмазные зерна способствует повышению
КТР и износостойкости КАМ данного класса за счет более качественного межфазного контакта.
Ключевые слова: модель, межфазная граница, контактная упругость, коэффициент
термического расширения, алмазосодержащие композиты, износостойкость.
A. S. Belyaev, V. S. Chernobai, R. S. Shmegera, O. P.Vinogradova
EFFECT OF THE DIAMOND-METAL BINDER INTERFACE ON THE THERMAL EXPANSION
COEFFICIENT AND WEAR RESISTANCE OF ELECTROSINTED DIAMOND COMPOSITES
The micromechanical model of a composite with an imperfect interface is developed. It considers the
effect of the degree of imperfection of the diamond-metal interface on the coefficient of thermal expansion
(CTE) and wear resistance of the diamond composite. The interphase boundary is modeled by the
corresponding contact conditions at the interface and the elastic-mechanical constants of the phase
materials are determined experimentally or from theoretical models of the lowest level. The obtained
theoretical data were experimentally confirmed for the samples of composites produced by electrosintering
method on a NiSn(6%) bond with inclusions of synthetic diamonds with different types of coatings and
without coating. This model can evaluate the effect of the contact elasticity of the interface and the size of the
inclusions on the CTE. It exhibits that the mechanical covering of chromium to diamond grains leads to an
increase of CTE and wear resistance of diamond composites of this class, due to a better interfacial contact.
Key words: model, interphase boundary, contact elasticity, coefficient of thermal expansion,
diamond-containing composites, wear resistance.
Література
1. Maxwell J. C. Treatise on Electricity and Magnetism. Vol. 1. – Oxford: Clarendon Press
РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО
ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ, В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
391
(1st edition.), 1873 . – 425 p.
2. Kushch V. I., Sevostianov I. Effective elastic moduli of a particulate composite in terms
of the dipole moments and property contribution tensors // International Journal of Solids
and Structures. – 2015. – 53. – P. 1–11.
3. Kushch V. I. Micromechanics of composites: multipole expansion approach. – Elsevier,
2013. – 489 p.
4. Інтенсивність зношування породоруйнівних елементів з КАМ в залежності від
хімічного складу та способу нанесення покриттів на алмазні зерна / А. Л.
Майстренко, А. П. Закора, Р. С. Шмегера та ін. // Породоразрушающий и
металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и
применения: Сб. науч. тр. – К.: Изд-во ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2017. –
Вып. № 20. – С. 469 – 481.
5. Hidnert P. Thermal Expansion of Some Nickel Alloys // Journal of Research of the
National Bureau of Standards. – 1957. – 58. – N 2. – P. 89–92.
6. Monachon C., Weber L. Influence of diamond surface termination on thermal boundary
conductance between Al and diamond // Journal of Applied Physics. – 2014. – 113. – 183504.
Надійшла 12.06.18
References
1. Maxwell, J. C.(1873). Treatise on Electricity and Magnetism. (Vols 1–3; vol. 1). Oxford:
Clarendon Press (1st edition).
2. Kushch, V. I., Sevostianov, I. (2015). Effective elastic moduls of a particulate composite
in terms of the dipole moments and property contribution tensors. International Journal of
Solids and Structures 53, 1–11.
3. Kushch V. I. (2013). Micromechanics of composites: multipole expansion approach.
Elsevier.
4. Maystrenko, A.L., Zakora, A.P., Shmegera, R.S., et. al. (2017). Intensivnist znoshuvannia
porodoruinivnykh elementiv z KAM v zalezhnosti vid himichnogo skladu ta sposobu
nanesennia pokryttiv na almazni zerna [The intensity of wear of rock cutting tools from
diamond composites, depending on the chemical composition and method of coating the
diamond grains]. Porodorazrushayushchii I metalloobrabativayushchii instrument –
tekhnika I tekhnologiya ego izgotovleniya i primineniya – Rock Destruction and Metal-
Working Tools – Techniques and Technology of the Tool Production and Applications,
Vol. 20, 469–481 [in Ukrainian].
5. Hidnert, P. (1957). Thermal Expansion of Some Nickel Alloys. Journal of Research of the
National Bureau of Standards.Vol. 58, 2, 89–92.
6. Monachon, C., Weber, L. (2014). Influence of diamond surface termination on thermal
boundary conductance between Al and diamond. Journal of Applied Physics. Vol.113, 18,
183504.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-144439 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2223-3938 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:58:28Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бєляєв, А.С. Чернобай, В.С. Шмегера, Р.С. Виноградова, О.П. 2018-12-22T18:56:09Z 2018-12-22T18:56:09Z 2018 Вплив міжфазної границі «алмаз – металева зв’язка» на коефіцієнт термічного розширення та зносостійкість електроспечених КАМ / А.С. Бєляєв, В.С. Чернобай, Р.С. Шмегера, О.П. Виноградова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2018. — Вип. 21. — С. 384-391. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/144439 621.921.34 – 419: 004.942 Розроблено мікромеханічну модель композиту з недосконалим контактом фаз, яка враховує вплив ступеню недосконалості міжфазної границі “алмаз-металева зв’язка” на коефіцієнт термічного розширення (КТР) та зносостійкість алмазовмісного композиту (КАМ). Міжфазна границя моделюється відповідними контактними умовами на поверхні розділу, а пружно-механічні константи матеріалів фаз визначаються дослідним шляхом або з теоретичних моделей нижчого рівня. Отримані теоретичні дані експериментально підтверджені для зразків електроспечених КАМ на зв’язці NiSn(6%) з включеннями синтетичних алмазів з різними типами покритів та без. Модель дозволяє якісно оцінити вплив контактної пружності міжфазної границі та розміру включень на КТР. Встановлено, що механічне нанесення хрому на алмазні зерна сприяє підвищенню КТР та зносостійкості КАМ даного класу, за рахунок більш якісного міжфазного зв’язку. Разработана микромеханическая модель композита с несовершенным контактом фаз, учитывающая влияние степени несовершенности межфазной границы «алмаз – металлическая связка» на коэффициент термического расширения (КТР) и износостойкость алмазосодержащего композита (КАМ). Межфазная граница моделируется соответствующими контактными условиями на поверхности раздела, а упруго-механические константы материалов фаз определяются опытным путем либо из теоретических моделей низшего уровня. Полученные теоретические данные экспериментально подтверждены для образцов електроспеченных КАМ на связке NiSn (6%) с включениями синтетических алмазов с различными типами покрытий и без. Модель позволяет качественно оценить влияние контактной упругости межфазной границы и размера включений на КТР. Установлено, что механическое нанесение хрома на алмазные зерна способствует повышению КТР и износостойкости КАМ данного класса за счет более качественного межфазного контакта. The micromechanical model of a composite with an imperfect interface is developed. It considers the effect of the degree of imperfection of the diamond-metal interface on the coefficient of thermal expansion (CTE) and wear resistance of the diamond composite. The interphase boundary is modeled by the corresponding contact conditions at the interface and the elastic-mechanical constants of the phase materials are determined experimentally or from theoretical models of the lowest level. The obtained theoretical data were experimentally confirmed for the samples of composites produced by electrosintering method on a NiSn(6%) bond with inclusions of synthetic diamonds with different types of coatings and without coating. This model can evaluate the effect of the contact elasticity of the interface and the size of the inclusions on the CTE. It exhibits that the mechanical covering of chromium to diamond grains leads to an increase of CTE and wear resistance of diamond composites of this class, due to a better interfacial contact. uk Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Разработка и внедрение оборудования и инструмента, оснащенного твердыми сплавами, в различных отраслях промышленности Вплив міжфазної границі «алмаз – металева зв’язка» на коефіцієнт термічного розширення та зносостійкість електроспечених КАМ Effect of the diamond-metal binder interface on the thermal expansion coefficient and wear resistance of electrosinted diamond composites Article published earlier |
| spellingShingle | Вплив міжфазної границі «алмаз – металева зв’язка» на коефіцієнт термічного розширення та зносостійкість електроспечених КАМ Бєляєв, А.С. Чернобай, В.С. Шмегера, Р.С. Виноградова, О.П. Разработка и внедрение оборудования и инструмента, оснащенного твердыми сплавами, в различных отраслях промышленности |
| title | Вплив міжфазної границі «алмаз – металева зв’язка» на коефіцієнт термічного розширення та зносостійкість електроспечених КАМ |
| title_alt | Effect of the diamond-metal binder interface on the thermal expansion coefficient and wear resistance of electrosinted diamond composites |
| title_full | Вплив міжфазної границі «алмаз – металева зв’язка» на коефіцієнт термічного розширення та зносостійкість електроспечених КАМ |
| title_fullStr | Вплив міжфазної границі «алмаз – металева зв’язка» на коефіцієнт термічного розширення та зносостійкість електроспечених КАМ |
| title_full_unstemmed | Вплив міжфазної границі «алмаз – металева зв’язка» на коефіцієнт термічного розширення та зносостійкість електроспечених КАМ |
| title_short | Вплив міжфазної границі «алмаз – металева зв’язка» на коефіцієнт термічного розширення та зносостійкість електроспечених КАМ |
| title_sort | вплив міжфазної границі «алмаз – металева зв’язка» на коефіцієнт термічного розширення та зносостійкість електроспечених кам |
| topic | Разработка и внедрение оборудования и инструмента, оснащенного твердыми сплавами, в различных отраслях промышленности |
| topic_facet | Разработка и внедрение оборудования и инструмента, оснащенного твердыми сплавами, в различных отраслях промышленности |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/144439 |
| work_keys_str_mv | AT bêlâêvas vplivmížfaznoígranicíalmazmetalevazvâzkanakoefícíênttermíčnogorozširennâtaznosostíikístʹelektrospečenihkam AT černobaivs vplivmížfaznoígranicíalmazmetalevazvâzkanakoefícíênttermíčnogorozširennâtaznosostíikístʹelektrospečenihkam AT šmegerars vplivmížfaznoígranicíalmazmetalevazvâzkanakoefícíênttermíčnogorozširennâtaznosostíikístʹelektrospečenihkam AT vinogradovaop vplivmížfaznoígranicíalmazmetalevazvâzkanakoefícíênttermíčnogorozširennâtaznosostíikístʹelektrospečenihkam AT bêlâêvas effectofthediamondmetalbinderinterfaceonthethermalexpansioncoefficientandwearresistanceofelectrosinteddiamondcomposites AT černobaivs effectofthediamondmetalbinderinterfaceonthethermalexpansioncoefficientandwearresistanceofelectrosinteddiamondcomposites AT šmegerars effectofthediamondmetalbinderinterfaceonthethermalexpansioncoefficientandwearresistanceofelectrosinteddiamondcomposites AT vinogradovaop effectofthediamondmetalbinderinterfaceonthethermalexpansioncoefficientandwearresistanceofelectrosinteddiamondcomposites |