Структурні зміни нітриду ванадію в умовах термобаричного спікання керамоматричного композита в системі cBN—VN—Al
Методом рентгенівської дифрактометрії детально досліджено кристалічну структуру нітриду ванадію (VN), який поряд з кубічним нітридом бору (cBN) наявний у керамоматричних композитах, отриманих HPHT спіканням (тиск 7,7 ГПа, температура 1600—2450 °С) попередньо механохімічно активованої шихти складу cB...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Дата: | 2024 |
| Автори: | , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2024
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202280 |
| 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: | Структурні зміни нітриду ванадію в умовах термобаричного спікання керамоматричного композита в системі cBN—VN—Al / Н.М. Білявина, В.З. Туркевич, А.М. Курилюк, Д.А. Стратійчук, Л.П. Стасюк, О.І. Наконечна, П.П. Когутюк // Доповіді Національної академії наук України. — 2024. — № 1. — С. 20-29. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860247314645385216 |
|---|---|
| author | Білявина, Н.М. Туркевич, В.З. Курилюк, А.М. Стратійчук, Д.А. Стасюк, Л.П. Наконечна, О.І. Когутюк, П.П. |
| author_facet | Білявина, Н.М. Туркевич, В.З. Курилюк, А.М. Стратійчук, Д.А. Стасюк, Л.П. Наконечна, О.І. Когутюк, П.П. |
| citation_txt | Структурні зміни нітриду ванадію в умовах термобаричного спікання керамоматричного композита в системі cBN—VN—Al / Н.М. Білявина, В.З. Туркевич, А.М. Курилюк, Д.А. Стратійчук, Л.П. Стасюк, О.І. Наконечна, П.П. Когутюк // Доповіді Національної академії наук України. — 2024. — № 1. — С. 20-29. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Методом рентгенівської дифрактометрії детально досліджено кристалічну структуру нітриду ванадію (VN), який поряд з кубічним нітридом бору (cBN) наявний у керамоматричних композитах, отриманих HPHT спіканням (тиск 7,7 ГПа, температура 1600—2450 °С) попередньо механохімічно активованої шихти складу cBN—VN—Al (60 : 35 : 5 об. %). На підставі рентгеноструктурних розрахунків встановлено, що дефектна кристалічна структура вихідного нітриду шихти VN типу NaCl під впливом баротермічного навантаження модифікується за рахунок міграції додаткових атомів азоту з середини композита на його поверхню. Ці додаткові атоми азоту в структурі VN cтатистично розміщуються по вершинах октаедрів, розташованих навколо наявних вакансій атомів азоту з основної ґратки типу NaCl. Збагачення поверхні композита cBN—VN—Al азотом повинно позитивно впливати на деякі його поверхневі властивості, на кшталт мікротвердості та зносостійкості (як це виявлено раніше для композита cBN—TiN—Al) і забезпечувати високі експлуатаційні характеристики отриманого надтвердого керамоматричного матеріалу, призначеного для високошвидкісного (300—500 м/хв) оброблення легованих та нержавних сталей.
A comprehensive examination of the crystal structure of the VN nitride, coexisting with cubic boron nitride (cBN) in composites produced by high-pressure, high-temperature (HPHT) sintering (р = 7.7 GPa, T = 1600 — 2450 °C) of cBN-VN-Al blend (60 : 35 : 5 vol. %), was conducted using X-ray diffraction method. As a result of calculations, it is shown that the barothermal load induces alterations in the defective crystal structure of the initial VN nitride, which belongs to the NaCl-type structure. Specifically, modification occurs through the migration of additional nitrogen atoms from within the composite to its surfaces. In the VN structure, these extra nitrogen atoms statistically occupy the vertices of octahedrons situated around the vacancies present in the nitrogen sublattice. The enrichment of the cBN-VN-Al composite’s surface with nitrogen is expected to positively impact certain surface properties, including microhardness and wear resistance, thereby ensuring high-performance characteristics of the superhard ceramic material designed for high-speed (300-500 m/min) processing of alloyed and stainless steels.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:38:06Z |
| format | Article |
| fulltext |
20
ОПОВІДІ
НАЦІОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМІЇ НАУК
УКРАЇНИ
ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No. 1: 20—29
Ц и т у в а н н я: Білявина Н.М., Туркевич В.З., Курилюк А.М., Стратійчук Д.А., Стасюк Л.П., Наконечна О.І., Когу-
тюк П.П. Структурні зміни нітриду ванадію в умовах HPHT спікання керамоматричного композита в системі
cBN—VN—Al. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 1. С. 20—29. https://doi.org/10.15407/dopovidi2024.01.020
© Видавець ВД «Академперіодика» НАН України, 2024. Стаття опублікована за умовами відкритого доступу за
ліцензією CC BY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)
МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО
MATERIALS SCIENCE
https://doi.org/10.15407/dopovidi2024.01.020
УДК 621.762; 538.9; 539.26
Н.М. Білявина1, https://orcid.org/0000-0001-7371-3608
В.З. Туркевич 2, https://orcid.org/0000-0002-1441-4269
А.М. Курилюк1, https://orcid.org/0000-0003-3886-8174
Д.А. Стратійчук2, https://orcid.org/0000-0003-4911-5629
Л.П. Стасюк2, https://orcid.org/0000-0003-1966-0247
О.І. Наконечна1, https://orcid.org/0000-0003-4205-5133
П.П. Когутюк1, https://orcid.org/0000-0002-5405-0586
1 Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, Київ, Україна
2 Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ, Україна
E-mail: kurylyuk_a2008@ukr.net
Структурні зміни нітриду ванадію
в умовах термобаричного спікання керамоматричного
композита в системі cBN—VN—Al
Методом рентгенівської дифрактометрії детально досліджено кристалічну структуру нітриду ванадію
(VN), який поряд з кубічним нітридом бору (cBN) наявний у керамоматричних композитах, отриманих
HPHT спіканням (тиск 7,7 ГПа, температура 1600—2450 °С) попередньо механохімічно активованої ших-
ти складу cBN—VN—Al (60 : 35 : 5 об. %). На підставі рентгеноструктурних розрахунків встановлено, що
дефектна кристалічна структура вихідного нітриду шихти VN типу NaCl під впливом баротермічного
навантаження модифікується за рахунок міграції додаткових атомів азоту з середини композита на його
поверхню. Ці додаткові атоми азоту в структурі VN cтатистично розміщуються по вершинах октаедрів,
розташованих навколо наявних вакансій атомів азоту з основної ґратки типу NaCl. Збагачення поверхні
композита cBN—VN—Al азотом повинно позитивно впливати на деякі його поверхневі властивості, на
кшталт мікротвердості та зносостійкості (як це виявлено раніше для композита cBN—TiN—Al) і забез-
печувати високі експлуатаційні характеристики отриманого надтвердого керамоматричного матеріалу,
призначеного для високошвидкісного (300—500 м/хв) оброблення легованих та нержавних сталей.
Ключові слова: високий тиск, надтверді матеріали, керамоматричні композити, кубічний нітрид бору,
нітрид ванадію, рентгенівська дифрактометрія, кристалічна структура.
21ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 1
Структурні зміни нітриду ванадію в умовах HPHT спікання керамоматричного композита...
Тугоплавкі нітриди перехідних металів завдяки своїм фізичним та хімічним властивостям
знайшли широке застосування в електрохімічних пристроях, устаткуванні реабілітації на-
вколишнього середовища, датчиках газу, фотокаталізі тощо [1, 2]. Одним з важливих по-
казників, що дає можливість використовувати ці нітриди у вогнетривкому середовищі з
високим навантаженням, є відношення їх твердості до температури плавлення (в шкалі
Кельвіна), яке, наприклад, для TiN та VN становить 2000/3220 К і 1500/2620 К відповідно
[3]. Саме тому нанокомпозитні матеріали з керамічною матрицею з кубічного нітриду бору
(cBN), армованою диспергованими твердими наночастинками окремих нітридів, мають
важливе значення для створення за їх участю різального інструменту, призначеного для
високошвидкісного (500 м/хв) металооброблення, зокрема, високолегованих загартованих
сталей та нікелевих суперсплавів [4, 5].
Вплив температури спікання на механічні властивості BL керамічних матеріалів систе-
ми cBN—VN—Al (60 об. % cBN), отриманих методом HPHT (high pressure, high temperature)
під тиском 7,7 ГПа в інтервалі температур 1600—2450 °С, докладно досліджено авторами
роботи [6]. Показано, що баротермічне спікання за температур 1600—1850 °С зумовлює
початок взаємодії між компонентами цієї суміші та істотну зміну пружних властивостей
композитів, тоді як максимальне значення мікротвердості (близько 30 ГПа) і найвищий
рівень зносостійкості інструменту за швидкісного оброблення нержавних загартованих
сталей притаманно зразкам, спеченим за температур 2000—2150 °С [6].
Високі експлуатаційні характеристики встановлено для BL композитів, отриманих
у системі cBN—TiC—VN—Al, зв’язувальна фаза в яких містить суміш VN та TiC. Засто-
сування такої комбінованої зв’язки, як виявилося [7], значно покращує продуктивність
поздовжнього фінішного точіння сплавів типу Inconel 718 та AISI 316L, а продуктивність
високошвидкісного оброблення загартованої інструментальної сталі Caldie на 80—90 %
вища, ніж у поширених комерційно доступних інструментів подібного типу [7].
Під час вивчення впливу сукупності фізико-хімічних властивостей HPHT спечених
керамічних матеріалів системи cBN—VN—Al на їх експлуатаційні характеристики (твер-
дість, тріщиностійкість тощо) автори роботи [6] спиралися на результати дослідження їх
фазового складу, густини та мікроструктури. Проте раніше під час дослідження HPHT спе-
чених композитів аналогічної системи cBN—TiN—Al [8] у результаті рентгеноструктурних
розрахунків нами було показано, що під дією баротермічного навантаження кристалічна
структура TiN модифікується, акумулюючи в собі додаткові атоми азоту, наявність яких
дещо корелює з певними фізичними властивостями матеріалу. Зважаючи на це природно
було б вивчити й особливості кристалічної структури VN, модифікація якої в сукупності
з особливістю мікроструктури зразків могла б вплинути на деякі характеристики HPHT
спечених керамічних матеріалів системи cBN—VN—Al.
Мета дослідження полягала у з’ясуванні характеру змін, яких зазнає кристалічна
структура VN у процесі термобаричного спікання шихти системи cBN—VN—Al.
Кристалічну структуру VN досліджували рентгенодифрактометричним методом з
використанням апарата “STOE STADI MP” у мідному випромінюванні, кутовий інтервал
зйомки 10—100°, крок сканування 0,015°. Об’єктами зйомки слугували зразки композитів,
отримані авторами роботи [6] методом HPHT спікання в апараті типу тороїд (тиск 7,7 ГПа,
температура 1600—2450 °С) попередньо механохімічно активованої шихти складу (об. %):
60 cBN, 35 VN, 5 Al.
22 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No. 1
Н.М. Білявина, В.З. Туркевич, А.М. Курилюк, Д.А. Стратійчук, Л.П. Стасюк, О.І. Наконечна, П.П. Когутюк
Первинне опрацювання рентгенівських даних здійснювали методом повнопрофільного
аналізу. Для якісного та кількісного фазового аналізу, уточнення параметрів кристалічної
ґратки фазових складових, моделювання кристалічної структури окремих фаз і уточнення
запропонованих моделей (у тому числі коефіцієнтів заповнення атомами відповідних пра-
вильних систем точок, координатних та теплових параметрів структури) використовували
оригінальний програмний пакет [9], який містить повний комплекс процедури Рітвельда.
Результати рентгенівського фазового аналізу свідчать про те, що як механохімічна ак-
тивація, так і HPHT спікання попередньо механохімічно обробленої шихти не спричиня-
ють реакційної взаємодії компонентів шихти в зразках продуктів (табл. 1), а наявність у
композитах незначної кількості Al2O3 цілком обумовлена окисненням алюмінію, аморфі-
зованого внаслідок механохімічного оброблення вихідної суміші. Проте параметри крис-
талічних ґраток VN та cBN зі збільшенням температури HPHT спікання дещо змінюються
(рис. 1, табл. 1).
П
ар
ам
ет
ри
ґр
ат
ки
V
N
, н
м
П
ар
ам
ет
ри
ґр
ат
ки
сВ
N
, н
м
0,4136
0,4132
0,4128
0,4124
0,4120
1600 1800 2000
Температура спікання, °С
2200 2400 2600
/~/
0,3624
0,3622
0,3620
0,3618
0,3616
0,3614
0,3612
cBN
VN
Рис. 1. Залежності параме-
трів кристалічної ґратки VN
(чорні маркери) та cBN (білі
маркери) від температури
спікання. Трикутниками по-
значені значення періодів
ґраток цих фаз у механохі-
мічно активованій шихті
Таблиця 1. Фазовий склад продуктів HPHT спікання під тиском 7,7 ГПа
механохімічно активованої шихти складу 60 об. % cBN, 35 об. % VN, 5 об. % Al
Температура спікання, °С Фазовий склад1
Параметри ґратки, нм
VN cBN
Вихідна шихта cBN(60) +VN(35)+Al(5) 0,41325(1) 0,36150(5)
Механохімічно активована шихта cBN(64)+VN(36) 0,4119(1) 0,36181(2)
1600 cBN(64)+VN(36) 0,41325(9) 0,36174(9)
1900 cBN(63)+VN(37) 0,41329(6) 0,36159(1)
2000 cBN(63)+VN(36)+Al2O3(1) 0,41319(5) 0,36152(8)
2150 cBN(63)+VN(36)+Al2O3(1) 0,41302(4) 0,36136(7)
2300 cBN(63)+VN(36)+Al2O3(1) 0,41299(4) 0,36134(9)
2450 cBN(63)+VN(36)+Al2O3(1) 0,41330(4) 0,36123(9)
1 У дужках вказано вміст фазової складової, об. %.
23ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 1
Структурні зміни нітриду ванадію в умовах HPHT спікання керамоматричного композита...
З’ясування факторів, які впливають на таку зміну параметрів ґраток, проведено на
основі результатів розрахунків кристалічної структури VN як у вихідній або в механохі-
мічно активованій шихті, так і в кожному з HPHT спечених зразків.
Встановлено, що кристалічна структура VN як у вихідній, так і в механохімічно акти-
вованій шихті добре описується в рамках моделі структурного типу NaCl, але на відміну
від цього нітриду еквіатомного складу у вихідному порошку після механохімічної акти-
вації суміші cBN—VN—Al VN він втрачає певну кількість атомів азоту (структура стає
дефектною) (табл. 2).
Проте уточнення в моделі структурного типу NaCl кристалічної структури VN у про-
дуктах HPHT спікання виявило істотне перевищення заповнення атомами азоту позиції 4b
(більш як чотири атоми азоту на елементарну комірку), що з точки зору структурного ана-
лізу є неприйнятним. Саме тому для розміщення додаткових атомів азоту за основу було
вибрано модель, запропоновану нами раніше для структури TiN у HPHT спечених зразках
системи cBN—TiN—Al [8]. Використовуючи зазначену модель модифікованої структури
типу NaCl (див. табл. 2), для кожної фази VN, наявної в HPHT спечених за температур
1600—2450 °С зразках системи cBN—VN—Al, було уточнено коефіцієнти заповнення ато-
мами ванадію та азоту відповідних правильних систем точок (фактор недостовірності (RB)
при цьому не перевищував 0,015). Згідно з результатами розрахунків, у фазі VN атоми ва-
Таблиця 2. Розрахункові параметри кристалічної структури фази VN
у механохімічно активованій шихті і композиті, спеченому під тиском 7,7 ГПа
і за температури 2150 °С
Атом Позиція Заповнення X Y Z
Механохімічно активована шихта (структура типу NaCl)
V 4a 1,000(1) 0 0 0
N 4b 0,935(4) 0,5 0,5 0,5
Просторова група Fm3m (No. 225)
Параметр ґратки, a, нм 0,4116(2)
Температурна поправка, B, нм2 1,21(3) · 10−2
Розрахований склад сполуки, ат. % 51,7 V + 48,3 N
Фактор недостовірності, RB 0,018
Композит (модифікована структура типу NaCl)
V 4a 1,000(1) 0 0 0
N(1) 4b 0,905(4) 0,5 0,5 0,5
N(2) 24e 0,029(4) 0,313 0 0
Просторова група Fm3m (No. 225)
Параметр ґратки, a, нм 0,41302(4)
Температурна поправка, B, нм2 0,75(2)·10−2
Розрахований склад сполуки, ат. % 48,1 V + 51,9 N
Фактор недостовірності, RB 0,008
24 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No. 1
Н.М. Білявина, В.З. Туркевич, А.М. Курилюк, Д.А. Стратійчук, Л.П. Стасюк, О.І. Наконечна, П.П. Когутюк
надію повністю займають позицію 4a (чотири атоми ванадію на комірку), тоді як зайня-
ті атомами азоту позиції 4b та 24e тією чи іншою мірою дефектні. Розраховані значення
кількості атомів азоту в кожній з цих позицій і сумарний вміст атомів азоту в комірці VN
наведені на рис. 2 та в табл. 3.
Отже, в результаті прикладеного баротермічного навантаження структура VN нако-
пичує додаткові атоми азоту N(2), які розміщуються в позиції 24e, формуючи октаедр з
центром, зайнятим або, імовірніше, не зайнятим атомами N(1) з позиції 4b (див. табл. 3).
Характер можливого розміщення атомів N(2) навколо однієї з чотирьох можливих дефек-
тних позицій 4b з координатою 0 0,5 0 ілюструє рис. 3.
Температура спікання, °С
Кі
ль
кі
ст
ь
ат
ом
ів
а
зо
ту
Кі
ль
кі
ст
ь
ат
ом
ів
а
зо
ту
6
Повна
4b
24e
4
2
0
6
5
4
1600
/~/
1800 2000 2200 2400
Рис. 2. Залежність від темпе-
ратури HPHT спікання кіль-
кості атомів азоту в криста-
лічній структурі фази VN
Таблиця 3. Кількість атомів азоту в ґратці фази VN,
мікродеформація її ґратки та мікротвердість композита cBN—VN—Al
Температура
спікання,
°С
Кількість атомів азоту Надлишок
атомів азоту,
%
Склад фази VN,
ат. %
Мікродефор-
мація ґратки,
%
Мікротвер-
дість, ГПа1
в позиції 4b в позиції 24e V N
Механохімічно
активована шихта
3,74(4) 0 — 51,7 48,3 0,265(9) —
1600 3,71(4) 1,84(4) 16,2 41,9 58,1 0,221(8) 27,1
1900 3,54(4) 1,81(6) 22,6 42,8 57,2 0,215(9) 27,6
2000 3,66(3) 1,10(4) 8,7 45,7 54,3 0,157(9) 28,2
2150 3,62(2) 0,72(3) 3,8 48,1 51,9 0,118(7) 30,8
2300 3,76(2) 0,37(3) 1,6 49,2 50,8 0,130(6) 31,0
2450 3,68(2) 0,64(3) 3,8 48,1 51,9 0,168(8) 31,0
1 За даними роботи [6].
25ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 1
Структурні зміни нітриду ванадію в умовах HPHT спікання керамоматричного композита...
N2
N2
Рис. 3. Розміщення атомів ванадію та азоту в структурі VN (ве-
ликі кульки — атоми ванадію, малі чорні кульки — атоми азоту
в позиції 4b, малі сірі кульки — атоми азоту в позиції 24e)
М
ік
ро
де
ф
ор
ма
ці
я
ґр
ат
ки
V
N
, н
м
Ро
зм
ір
к
ри
ст
ал
іт
ів
, н
м
0,3
0,2
0,1
0
1600 1800 2000
Температура спікання, °С
2200 2400
/~/
35
30
25
20
15
VN
TiN
Температура спікання, °С
Кі
ль
кі
ст
ь
ат
ом
ів
а
зо
ту
М
ік
ро
тв
ер
ді
ст
ь,
Г
П
а
6,5
VN
TiN6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
32
30
28
1600 1800 2000 2200 2400
Рис. 4. Залежності від темпе-
ратури HPHT спікання мі-
кродеформації кристалічної
ґратки VN (чорні маркери) та
розміру кристалітів цієї фази
(білі маркери), а також ана-
логічні характеристики для
TiN за даними роботи [8]
Рис. 5. Залежність від темпе-
ратури HPHT спікання кіль-
кості атомів азоту в криста-
лічній структурі фаз VN та
TiN (чорні маркери), а також
твердості композитів cBN—
VN—Al і cBN—TiN—Al за
даними робіт [6, 8] (білі мар-
кери)
26 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No. 1
Н.М. Білявина, В.З. Туркевич, А.М. Курилюк, Д.А. Стратійчук, Л.П. Стасюк, О.І. Наконечна, П.П. Когутюк
Згідно з результатами аналізу міжатомних відстаней у структурах фаз VN, найменша
відстань для атомів азоту N(1)—N(2) становить ≈ 0,77 нм, тоді як відстань N(2)—N(2)
(довжина ребер октаедра, сформованого атомами N(2)) становить ≈ 1,093 нм, причому
ця величина дуже близька до довжини зв’язку між атомами азоту в двохатомній молекулі
газу N2 (1,09 нм).
Раніше, базуючись на теоретичній моделі [10] про спонтанне утворення в TiN пар з
міжвузлових атомів NI та вакансій кристалічної ґратки NV (так званих пар Френкеля), у
роботі [8] нами було докладно описано механізм формування за рахунок дифузійних про-
цесів кристалічної структури цього нітриду зі статистичним розміщенням атомів азоту
по вершинах октаедрів (атоми NI в позиції 24e) навколо наявної вакансії в позиції 4b (NV)
(див. рис. 3), що повністю відповідає утворенню пар Френкеля NI—NV.
Враховуючи дані про високу дифузійну здатність розповсюдження азоту в нітриді VN
[11] і дані про утворення в ньому азотних пар N2 [12], можна стверджувати, що саме запро-
понована нами модель модифікованої кристалічної структури типу NaCl коректно опи-
сує структурні перетворення в VN та TiN, підданих баротермічному впливу в результаті
HPHT спікання.
Як свідчать результати рентгенівського дослідження параметрів реальної структури
VN, розмір кристалітів (блоків когерентного розсіювання) цієї фази в шихті становить
близько 13 нм, а в HPHT спечених композитах з підвищенням температури він збільшу-
ється до 33 нм. Мікродеформація кристалічної ґратки зі зміною температури спікання іс-
тотно зменшується, досягаючи свого мінімуму за температури 2150 °С (рис. 4). Слід зазна-
чити, що аналогічний характер зміни параметрів реальної структури притаманний також
TiN в HPHT спечених композитах системи cBN—TiN—Al [8] (див. рис. 4).
Відомо, що рентгенівське випромінювання фіксує дифракційну картину з певної гли-
бини досліджуваного зразка (в даному випадку глибина проникнення променів не переви-
щує 0,5 мм), а отже, описані вище особливості кристалічної структури VN та TiN відобра-
жають явища, які відбуваються саме на поверхні досліджених зразків. Раніше про форму-
вання такого, збагаченого азотом шару на поверхні окремих нітридів перехідних металів
повідомляли автори роботи [12]. Імовірно, такий самий збагачений азотом шар утворю-
ється і на поверхні HPHT спечених композитів систем cBN—VN—Al та cBN—TiN—Al.
Можна припустити, що VN або TiN сумісно із cBN в умовах HPHT спікання є джерелом
додаткового азотування поверхні зразків. Таке збагачення азотом поверхні композитів
cBN—VN—Al та cBN—TiN—Al повинно позитивно впливати на деякі його поверхневі
властивості, на кшталт мікротвердості, зносостійкості та корозійної стійкості. Так, у ро-
боті [13] показано, що середня мікротвердість на поверхні композита системи cBN—TiN
дещо вища, ніж у середині, а саме: для зразка з найкращими властивостями ці величини
становлять 33,23 і 32,24 ГПа відповідно.
Раніше було показано, що сукупність таких властивостей, як фазовий склад і мікро-
структура композитів систем cBN—VN—Al та cBN—TiN—Al, HPHT спечених за темпе-
ратур 2000—2150 °С, забезпечують їх найкращі макрохарактеристики (густину, твердість,
тріщиностійкість, міцність тощо) [6—8]. Проте свій позитивний внесок на поверхневі ха-
рактеристики композитів (мікротвердість, зносостійкість тощо), вірогідно, привносить
також і міграція атомів азоту на поверхню зразків, що за температур 2000—2150 °С не
спричиняє істотних мікродеформацій кристалічної ґратки VN та TiN (рис. 4, 5).
27ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 1
Структурні зміни нітриду ванадію в умовах HPHT спікання керамоматричного композита...
На підставі результатів дослідження доходимо висновку, що сукупність об’ємних і по-
верхневих характеристик композитів систем cBN—VN—Al та cBN—TiN—Al, спечених ме-
тодом HPHT за температури 2150 °С, забезпечують цим матеріалам хороші експлуатаційні
характеристики для створення на їх основі різального інструменту, призначеного для ви-
сокошвидкісного оброблення різноманітних металічних сплавів.
Дослідження виконано за підтримки гранту Міністерства освіти і науки України для
перспективного розвитку наукового напряму “Математичні науки та природничі науки”
в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка.
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Benesovsky F., Kieffer R., Ettmayer P. Nitrides. Encyclopedia of chemical technology. Vol. 15. 3th ed. New York:
John Wiley & Sons, 1981. P. 871.
2. Rasaki S.A., Zhang B., Anbalgam K., Thomas T., Yang M. Synthesis and application of nano-structured metal
nitrides and carbides: A review. Prog. Solid State Chem. 2018. 50. P. 1—15. https://doi.org/10.1016/j.
progsolidstchem.2018.05.001
3. Schwarz K. Band structure and chemical bonding in transition metal carbides and nitrides. Crit. Rew. Solid
State Mater. Sci. 1987. 13, № 3. P. 211—257. https://doi.org/10.1080/10408438708242178
4. Huang Y., Chou Y.K., Liang S.Y. CBN tool wear in hard turning: A survey on research progresses. Int. J. Adv.
Manuf. Technol. 2007. 35, № 5-6. P. 443—453. https://doi.org/10.1007/s00170-006-0737-6
5. Peçanha L.A., Jr, Oliveira M.P., Skury A.L.D., Monteiro S.N., Reis R.H.M., da Silva L.C., Filho F.C.G. Processing,
characteristics and properties of cubic boron nitride — an updated review. Mater. Sci. Forum. 2020. 1012.
P. 202—206. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1012.202
6. Сліпченко К.В., Петруша І.А., Туркевич В.З., Стратійчук Д.А., Сліпченко В.М., Білявіна Н.М., Турке-
вич Д.В., Бушля В.М., Штоль Я.-Е. Вплив температури спікання на фазовий склад та механічні власти-
вості композитів на основі cBN з добавками сполук ванадію. Металофіз. новітні технол. 2019. 41,
№ 12. С. 1599—1610. https://doi.org/10.15407/mfint.41.12.1599
7. Slipchenko K., Bushlya V., Stratiichuk D., Petrusha I., Can A., Turkevich V., Ståhl J.-E., Lenrick F. Multicomponent
binders for PcBN performance enhancement in cutting tool applications. J. Eur. Ceram. Soc. 2022. 42, № 11.
P. 4513—4527. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.04.022
8. Білявина Н.М., Стратійчук Д.А., Наконечна О.І., Авраменко Т.Г., Курилюк А.М., Туркевич В.З. Особли-
вості кристалічної структури нітриду титану в композиті cBN—TiN—Al, спеченому при високих тиску
і температурі. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2022. № 2. С. 58—66. https://doi.org/10.15407/dopovidi2022.02.058
9. Dashevskyi M., Boshko О., Nakonechna O., Belyavina N. Phase transformations in equiatomic Y—Cu powder
mixture at mechanical milling. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2017. 39, № 4. P. 541—552. https://doi.
org/10.15407/mfint.39.04.0541
10. Sangiovanni D.G., Alling B., Steneteg P., Hultman L., Abrikosov I.A. Nitrogen vacancy, self-interstitial diffusion,
and Frenkel-pair formation/dissociation in B1 TiN studied by ab initio and classical molecular dynamics with
optimized potentials. Phys. Rev. B. 2015. 91. 054301. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.054301
11. Lengauer W., Eder A. Nitrides: transition metal solid-state chemistry. Encyclopedia of Inorganic Chemistry. Vol. 6.
Chichester: John Wiley & Sons, Ltd, 2005. 2rd ed. P. 3515—3531. https://doi.org/10.1002/0470862106.ia156
12. Lengauer W. Thermochemistry of the formation of nitrogen-rich surface layers on transition metal nitrides: A
study of the VN1−x—N2 couple. J. Phys. Chem. Solids. 1991. 52, № 2. P. 393—399. https://doi.org/10.1016/0022-
3697(91)90089-I
13. Xie H., Deng F., Wang H., Liu J., Han S., Feng F. Study of the proportioning design method and mechanical
properties of a cBN—TiN composite. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2020. 89. 105209. https://doi.org/10.1016/j.
ijrmhm.2020.105209
Надійшло до редакції 28.03.2023
28 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No. 1
Н.М. Білявина, В.З. Туркевич, А.М. Курилюк, Д.А. Стратійчук, Л.П. Стасюк, О.І. Наконечна, П.П. Когутюк
REFERENCES
1. Benesovsky, F., Kieffer, R. & Ettmayer, P. (1981). Nitrides. Іn Encyclopedia of chemical technology (Vol. 15). 3th
ed. (p. 871). New York: John Wiley & Sons.
2. Rasaki, S. A., Zhang, B., Anbalgam, K., Thomas, T. & Yang, M. (2018). Synthesis and application of nano-
structured metal nitrides and carbides: A review. Prog. Solid State Chem., 50, pp. 1-15. https://doi.org/10.1016/j.
progsolidstchem.2018.05.001
3. Schwarz, K. (1987). Band structure and chemical bonding in transition metal carbides and nitrides. Crit. Rew.
Solid State Mater. Sci., 13, No. 3, pp. 211-257. https://doi.org/10.1080/10408438708242178
4. Huang. Y., Chou. Y. K., & Liang, S. Y. (2007). CBN tool wear in hard turning: A survey on research progresses.
Int. J. Adv. Manuf. Technol., 35, No. 5-6, pp. 443-453. https://doi.org/10.1007/s00170-006-0737-6
5. Peçanha, L. A., Jr, Oliveira, M. P., Skury, A. L. D., Monteiro, S. N., Reis, R. H. M., da Silva, L. C. & Filho, F. C. G.
(2020). Processing, characteristics and properties of cubic boron nitride — an updated review. Mater. Sci.
Forum., 1012, pp. 202-206. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1012.202
6. Slipchenko, K. V., Petrusha, I. A., Turkevich, V. Z., Stratiichuk, D. A., Slipchenko, V. M., Bilyavina, N. M.,
Turkevich, D. V., Bushlya, V. M. & Stahl, J. E. (2019). The influence of sintering temperature on phase
composition and mechanical properties of сBN-based composites with addition of vanadium compounds.
Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 41, No. 12, pp. 1599-1610 (in Ukrainian). https://doi.org/10.15407/
mfint.41.12.1599
7. Slipchenko, K., Bushlya, V., Stratiichuk, D., Petrusha, I., Can, A., Turkevich, V., Ståhl, J.-E. & Lenrick, F. (2022).
Multicomponent binders for PcBN performance enhancement in cutting tool applications. J. Eur. Ceram. Soc.,
42, No. 11, pp. 4513-4527. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.04.022
8. Belyavina, N. N., Stratiichuk, D. A., Nakonechna, О. І., Avramenko, T. G., Kuryliuk, A. M. & Turkevich, V. Z.
(2022). TiN crystal structure features in cBN-TiN-Al composite sintered at high pressures and temperatures.
Dopov. Nac. akad. nauk. Ukr., No. 2, pp. 58-66 (in Ukrainian). https://doi.org/10.15407/dopovidi2022.02.058
9. Dashevskyi, M., Boshko, О., Nakonechna, O. & Belyavina, N. (2017). Phase transformations in equiatomic
Y—Cu powder mixture at mechanical milling. Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39, No. 4, pp. 541-552. https://
doi.org/10.15407/mfint.39.04.0541
10. Sangiovanni, D. G., Alling, B., Steneteg, P., Hultman, L. & Abrikosov, I. A. (2015). Nitrogen vacancy, self-
interstitial diffusion, and Frenkel-pair formation/dissociation in B1 TiN studied by ab initio and classical
molecular dynamics with optimized potentials. Phys. Rev. B, 91, 054301. https://doi.org/10.1103/
PhysRevB.91.054301
11. Lengauer, W. & Eder, A. (2005). Nitrides: transition metal solid-state chemistry. In Encyclopedia of inorganic
chemistry (Vol. 6). 2nd ed. (pp. 3515-3531). Chichester: John Wiley & Sons, Ltd. https://doi.
org/10.1002/0470862106.ia156
12. Lengauer, W. (1991). Thermochemistry of the formation of nitrogen-rich surface layers on transition metal
nitrides: A study of the VN1−x−N2 couple. J. Phys. Chem. Solids, 52, No. 2, pp. 393-399. https://doi.
org/10.1016/0022-3697(91)90089-I
13. Xie, H., Deng, F., Wang, H., Liu, J., Han, S. & Feng, F. (2020). Study of the proportioning design method and
mechanical properties of a cBN—TiN composite. Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 89, 105209. https://doi.
org/10.1016/j.ijrmhm.2020.105209
Received 28.03.2023
29ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 1
Структурні зміни нітриду ванадію в умовах HPHT спікання керамоматричного композита...
N.M. Belyavina1, https://orcid.org/0000-0001-7371-3608
V.Z. Turkevich2, https://orcid.org/0000-0002-1441-4269
A.M. Kuryliuk1, https://orcid.org/0000-0003-3886-8174
D.A. Stratiichuk2, https://orcid.org/0000-0003-4911-5629
L.P. Stasuk2, https://orcid.org/0000-0003-1966-0247
O.I. Nakonechna1, https://orcid.org/0000-0003-4205-5133
P.P. Kogutyuk1, https://orcid.org/0000-0002-5405-0586
1 Taras Shevchenko National University of Kyiv, Kyiv, Ukraine
2 V. Bakul Institute for Superhard Materials of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine
E-mail: kurylyuk_a2008@ukr.net
STRUCTURAL CHANGES OF VANADIUM NITRIDE UNDER THE CONDITIONS
OF THERMOBARIC SINTERING IN THE cBN-VN-Al CERAMIC COMPOSITE
A comprehensive examination of the crystal structure of the VN nitride, coexisting with cubic boron nitride (cBN)
in composites produced by high-pressure, high-temperature (HPHT) sintering (р = 7.7 GPa, T = 1600 — 2450 °C)
of cBN-VN-Al blend (60 : 35 : 5 vol. %), was conducted using X-ray diffraction method. As a result of calculations,
it is shown that the barothermal load induces alterations in the defective crystal structure of the initial VN nitride,
which belongs to the NaCl-type structure. Specifically, modification occurs through the migration of additional
nitrogen atoms from within the composite to its surfaces. In the VN structure, these extra nitrogen atoms statistically
occupy the vertices of octahedrons situated around the vacancies present in the nitrogen sublattice. The enrichment
of the cBN-VN-Al composite’s surface with nitrogen is expected to positively impact certain surface properties,
including microhardness and wear resistance, thereby ensuring high-performance characteristics of the superhard
ceramic material designed for high-speed (300-500 m/min) processing of alloyed and stainless steels.
Keywords: high pressures, cBN superhard materials, VN nitride, X-ray diffraction method, crystal structure.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-202280 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:38:06Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Білявина, Н.М. Туркевич, В.З. Курилюк, А.М. Стратійчук, Д.А. Стасюк, Л.П. Наконечна, О.І. Когутюк, П.П. 2025-03-10T15:24:12Z 2024 Структурні зміни нітриду ванадію в умовах термобаричного спікання керамоматричного композита в системі cBN—VN—Al / Н.М. Білявина, В.З. Туркевич, А.М. Курилюк, Д.А. Стратійчук, Л.П. Стасюк, О.І. Наконечна, П.П. Когутюк // Доповіді Національної академії наук України. — 2024. — № 1. — С. 20-29. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202280 621.762; 538.9; 539.26 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2024.01.020 Методом рентгенівської дифрактометрії детально досліджено кристалічну структуру нітриду ванадію (VN), який поряд з кубічним нітридом бору (cBN) наявний у керамоматричних композитах, отриманих HPHT спіканням (тиск 7,7 ГПа, температура 1600—2450 °С) попередньо механохімічно активованої шихти складу cBN—VN—Al (60 : 35 : 5 об. %). На підставі рентгеноструктурних розрахунків встановлено, що дефектна кристалічна структура вихідного нітриду шихти VN типу NaCl під впливом баротермічного навантаження модифікується за рахунок міграції додаткових атомів азоту з середини композита на його поверхню. Ці додаткові атоми азоту в структурі VN cтатистично розміщуються по вершинах октаедрів, розташованих навколо наявних вакансій атомів азоту з основної ґратки типу NaCl. Збагачення поверхні композита cBN—VN—Al азотом повинно позитивно впливати на деякі його поверхневі властивості, на кшталт мікротвердості та зносостійкості (як це виявлено раніше для композита cBN—TiN—Al) і забезпечувати високі експлуатаційні характеристики отриманого надтвердого керамоматричного матеріалу, призначеного для високошвидкісного (300—500 м/хв) оброблення легованих та нержавних сталей. A comprehensive examination of the crystal structure of the VN nitride, coexisting with cubic boron nitride (cBN) in composites produced by high-pressure, high-temperature (HPHT) sintering (р = 7.7 GPa, T = 1600 — 2450 °C) of cBN-VN-Al blend (60 : 35 : 5 vol. %), was conducted using X-ray diffraction method. As a result of calculations, it is shown that the barothermal load induces alterations in the defective crystal structure of the initial VN nitride, which belongs to the NaCl-type structure. Specifically, modification occurs through the migration of additional nitrogen atoms from within the composite to its surfaces. In the VN structure, these extra nitrogen atoms statistically occupy the vertices of octahedrons situated around the vacancies present in the nitrogen sublattice. The enrichment of the cBN-VN-Al composite’s surface with nitrogen is expected to positively impact certain surface properties, including microhardness and wear resistance, thereby ensuring high-performance characteristics of the superhard ceramic material designed for high-speed (300-500 m/min) processing of alloyed and stainless steels. Дослідження виконано за підтримки гранту Міністерства освіти і науки України для перспективного розвитку наукового напряму “Математичні науки та природничі науки” в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Матеріалознавство Структурні зміни нітриду ванадію в умовах термобаричного спікання керамоматричного композита в системі cBN—VN—Al Structural changes of vanadium nitride under the conditions of thermobaric sintering in the cBN-VN-Al ceramic composite Article published earlier |
| spellingShingle | Структурні зміни нітриду ванадію в умовах термобаричного спікання керамоматричного композита в системі cBN—VN—Al Білявина, Н.М. Туркевич, В.З. Курилюк, А.М. Стратійчук, Д.А. Стасюк, Л.П. Наконечна, О.І. Когутюк, П.П. Матеріалознавство |
| title | Структурні зміни нітриду ванадію в умовах термобаричного спікання керамоматричного композита в системі cBN—VN—Al |
| title_alt | Structural changes of vanadium nitride under the conditions of thermobaric sintering in the cBN-VN-Al ceramic composite |
| title_full | Структурні зміни нітриду ванадію в умовах термобаричного спікання керамоматричного композита в системі cBN—VN—Al |
| title_fullStr | Структурні зміни нітриду ванадію в умовах термобаричного спікання керамоматричного композита в системі cBN—VN—Al |
| title_full_unstemmed | Структурні зміни нітриду ванадію в умовах термобаричного спікання керамоматричного композита в системі cBN—VN—Al |
| title_short | Структурні зміни нітриду ванадію в умовах термобаричного спікання керамоматричного композита в системі cBN—VN—Al |
| title_sort | структурні зміни нітриду ванадію в умовах термобаричного спікання керамоматричного композита в системі cbn—vn—al |
| topic | Матеріалознавство |
| topic_facet | Матеріалознавство |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202280 |
| work_keys_str_mv | AT bílâvinanm strukturnízmíninítriduvanadíûvumovahtermobaričnogospíkannâkeramomatričnogokompozitavsistemícbnvnal AT turkevičvz strukturnízmíninítriduvanadíûvumovahtermobaričnogospíkannâkeramomatričnogokompozitavsistemícbnvnal AT kurilûkam strukturnízmíninítriduvanadíûvumovahtermobaričnogospíkannâkeramomatričnogokompozitavsistemícbnvnal AT stratíičukda strukturnízmíninítriduvanadíûvumovahtermobaričnogospíkannâkeramomatričnogokompozitavsistemícbnvnal AT stasûklp strukturnízmíninítriduvanadíûvumovahtermobaričnogospíkannâkeramomatričnogokompozitavsistemícbnvnal AT nakonečnaoí strukturnízmíninítriduvanadíûvumovahtermobaričnogospíkannâkeramomatričnogokompozitavsistemícbnvnal AT kogutûkpp strukturnízmíninítriduvanadíûvumovahtermobaričnogospíkannâkeramomatričnogokompozitavsistemícbnvnal AT bílâvinanm structuralchangesofvanadiumnitrideundertheconditionsofthermobaricsinteringinthecbnvnalceramiccomposite AT turkevičvz structuralchangesofvanadiumnitrideundertheconditionsofthermobaricsinteringinthecbnvnalceramiccomposite AT kurilûkam structuralchangesofvanadiumnitrideundertheconditionsofthermobaricsinteringinthecbnvnalceramiccomposite AT stratíičukda structuralchangesofvanadiumnitrideundertheconditionsofthermobaricsinteringinthecbnvnalceramiccomposite AT stasûklp structuralchangesofvanadiumnitrideundertheconditionsofthermobaricsinteringinthecbnvnalceramiccomposite AT nakonečnaoí structuralchangesofvanadiumnitrideundertheconditionsofthermobaricsinteringinthecbnvnalceramiccomposite AT kogutûkpp structuralchangesofvanadiumnitrideundertheconditionsofthermobaricsinteringinthecbnvnalceramiccomposite |