Композиты сBN, упрочненные сокомодульными боридами
Calculated estimations of coefficient of elasticity of composites cBN-Al-TiB2 binding depending on content ТіВ2 in an initial charge are executed. Influence of this factor on a deformation strengthening of сBN and composites hardness is shown.
Saved in:
| Published in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23455 |
| 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: | Композиты сBN, упрочненные сокомодульными боридами / Т.А. Гарбуз, Н.П. Беженар, С.А. Божко, М.Г. Лошак, Л.И. Александрова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 332-337. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859505643567710208 |
|---|---|
| author | Гарбуз, Т.А. Беженар, Н.П. Божко, С.А. Лошак, М.Г. Александрова, Л.И. |
| author_facet | Гарбуз, Т.А. Беженар, Н.П. Божко, С.А. Лошак, М.Г. Александрова, Л.И. |
| citation_txt | Композиты сBN, упрочненные сокомодульными боридами / Т.А. Гарбуз, Н.П. Беженар, С.А. Божко, М.Г. Лошак, Л.И. Александрова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 332-337. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | Calculated estimations of coefficient of elasticity of composites cBN-Al-TiB2 binding depending
on content ТіВ2 in an initial charge are executed. Influence of this factor on a deformation
strengthening of сBN and composites hardness is shown.
|
| first_indexed | 2025-11-25T11:07:20Z |
| format | Article |
| fulltext |
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
332
УДК 621.762.5:661.657.5
Т. А. Гарбуз, канд. техн. наук; Н. П. Беженар, д-р техн. наук; С. А. Божко, канд.
техн. наук; М. Г. Лошак, д-р техн. наук; Л. И. Александрова, канд. техн. наук
Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, г.Киев
КОМПОЗИТЫ сBN, УПРОЧНЕННЫЕ ВЫСОКОМОДУЛЬНЫМИ БОРИДАМИ
Calculated estimations of coefficient of elasticity of composites cBN-Al-TiB2 binding de-
pending on content ТіВ2 in an initial charge are executed. Influence of this factor on a deformation
strengthening of сBN and composites hardness is shown.
Введение
Требования к свойствам композитов cBN, используемых для производства режущих пла-
стин (PCBN), определяются их применением для лезвийной обработки разных материалов при
различных режимах резания (ISO 513:2001). На черновых операциях при точении с ударом —
это высокая трещиностойкость, предотвращающая скол лезвия. На финишных операциях глав-
ной становится защита от прогрессирующего износа, что достигается оптимизацией физико-
механических свойств PCBN, обычно увеличением твердости и снижением трещиностойкости.
Состав и физико-механические характеристики PCBN одной из ведущих фирм мира
«Element Six» приведены в табл. 1 [1]. Как и подобные материалы других известных фирм,
они содержат тугоплавкие соединения, среди которых TiC, TiN, TiCN. Сведения об исполь-
зовании боридов титана в инструментальных материалах отсутствуют.
Таблица 1. Состав и свойства РСBN фирмы «Element Six» и композитов cBN, упрочнен-
ных диборидами титана и циркония
Разра-
ботчик
Марка PCBN
(шихта)
cBN,
об. %
Другие фазы в
составе PCBN
HV,
ГПа
HKN,
ГПа
KIc,
MПа∙м1/2
Фирма
«Element
Six»
DBA80 80 TiC, AlN, AlB2 30 – 5,9
DBC50 50 ТіС 27,5 – 3,7
DCN450 45 ТіN 24,2 – 4,15
ИСМ им.
В.Н. Ба-
куля
НАНУ
Киборит-2 (сBN-
Al)
82 AlN, AlB2 или
(AlxByN)
30 28 10,2
сBN-Al-TiB2 78 AlyBzN, TixAl1-xB2 35 33 6,5
cBN-Al-ZrN 78 AlN, ZrN,
ZrxAl1-xB2
28 24 6,9
Результаты экспериментов и их обсуждение
В Институте сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины разработаны
опытные образцы композитов, упрочненных диборидами титана и циркония (см. табл.1). За
основу был взят известный композит системы cBN–Al киборит-2. Идея состояла в том, что-
бы сохранить в его структуре непрерывный каркас cBN и изменить фазовый состав и струк-
туру связки в направлении повышения ее модуля упругости, предела текучести, твердости.
Выбор высокомодульных диборидов титана и циркония определялся не только их физико-
механическими свойствами, но и изоструктурностью относительно диборида алюминия,
входящего в состав связки киборита-2. Композиты получали реакционным спеканием при
высоком давлении. При этом TiB2 вводили в состав исходной шихты сBN–Al, а ZrB2 кри-
сталлизовался из расплава как продукт реакции в шихте сBN–Al–ZrN (табл. 2).
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
333
Таблица 2. Реакции при спекании киборита-2 и композитов, упрочненных тугоплавки-
ми боридами
Тип шихты Реакции Композит
cBN–Al
Al +
3
2
BN
3
2
AlN +
3
1
AlB2
или Al + BN + AlxByN
Киборит-2
cBN–Al–TiB2 Al+
3
2
BN+
)1(3 х
х
TіB2
3
2
AlN+
)1(3
1
х
TіхAl1-хB2
Новый
cBN–Al–ZrN
Al +
3
2
BN +
3
1
ZrN
3
2
AlN + ZrxAl1-xB2
Новый
Уточнение кристаллической структуры диборидов в композитах показало, что каж-
дый из них представляет собой твердый раствор с AlB2. Нитрид алюминия в композитах
представляет собой твердый раствор бора на базе решетки AlN-вюрцит.
В зависимости от р,Т-параметров спекания и содержания в шихте алюминия и тугоплав-
ких соединений последние полностью принимали участие во взаимодействии или оставалась
некоторая их часть, представленная в структуре локальными поликристаллическими участками
TiB2 и ZrN. Это стало проблемой на пути достижения высокой твердости композитов, и в пер-
вую очередь из шихты cBN–Al–ZrN. Оптимальное соотношение твердости и трещиностойкости
получили в композитах из шихты сBN, 10 масс. % Al, (5–10 масс. %) TiB2. Физико-механические
свойства такого композита свидетельствуют о его конкурентоспособности относительно близко-
го по составу DBA80 (см. табл. 1).
Сравнение физико-механических свойств киборита-2 и нового композита cBN–Al–TiB2
указывает на упрочнение диборидом титана, которое достигается не только аддитивным влия-
нием высокомодульной связки на модуль упругости композита, но и ее влиянием на деформаци-
онное упрочнение cBN, что подтверждается исследованием его реальной кристаллической
структуры методами рентгеновской дифракции (табл. 3) и электронной микроскопии (рис. 1).
Таблица 3. Размер ОКР сBN (L) и плотность дислокаций (ρL = 3/L2) в композитах в зави-
симости от содержания TiB2 в шихте cBN–TiB2–10 % Al и р,Т-параметров спекания
% TiB2 р,Т L, нм ρ, 1011 cм-2 р,Т L, нм ρ, 1011 cм-2
0 4,2 ГПа,
1750 К
25,7 4,5 7,7 ГПа,
2300 К
24,0 5,2
5 22,7 5,8 22,0 6,2
10 – 19,6 7,8
15 21,4 6,6 20,6 7,1
a б
Рис. 1. Деформированное зерно сBN с пересекающимися двойниками в композите сBN–Al (a)
и со сложными дислокационными построениями в композите cBN–Al–TiB2 (б)
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
334
Повышение температуры спекания и увеличение содержания TiB2 в шихте аддитивно
влияли на уменьшение размера ОКР сBN, являющегося критерием деформационного упроч-
нения [2]. С увеличением доли титана в твердом растворе TixAl1-xB2 и общей доли TiB2 в
связке релаксация касательных напряжений на межфазных границах cBN-связка затрудняет-
ся. Соответственно повышаются напряжения на межзеренных границах cBN–cBN, что ини-
циирует размножение дислокаций с переходом от легкого скольжения (рис. 1а) к образова-
нию сложных дислокационных построений (рис. 1б).
Результат деформационного упрочнения – изменение твердости композита с измене-
нием содержания в шихте TiB2 – показан на рис. 2.
0 5 10 15 20 25
20
24
28
32
36
40
Т
ве
рд
ос
ть
п
о
К
ну
пу
, Г
П
а
Содержание TiB
2
в шихте, % мас.
Рис. 2. Зависимость твердости композита, полученного из шихты
cBN–10 % Al–TiB2, от содержания в шихте TiB2
Расчетные оценки модуля упругости связки и композитов cBN-Al-TiB2. Результа-
ты исследования композитов системы cBN–Al–TiB2 методами электронной микроскопии
показали, что распределение в структуре связки продуктов реакции AlN и TixAl1-xB2 можно
считать статистически однородным. Анализ различных подходов к расчету эффективных
модулей упругости двухфазных структур при стохастическом распределении фаз приведен в
[3]. Один из подходов состоит в том, что оценки упругих постоянных композитов исходят из
предположений о постоянстве деформаций в структуре композита или о постоянстве напря-
жений. Это методы Фойгта и Рейсса соответственно. Первый метод дает верхнюю границу
значений, второй – нижнюю.
Если в композите отсутствуют несплошности типа пор, расслоения, трещин, то про-
гнозированные значения модуля сдвига * и объемного модуля сжатия К* для вилки Фойгта
– Рейса рассчитываются из соотношений
22
1
21
12 43
)1(31
/
K
C
KK
CK ≤
11
1
12
11 43
31
/)1(*
K
C
KK
CKK ; (1)
222
122
21
12 435
1261
/
K
CK
C ≤
111
111
12
11 435
261
/1*
K
CK
C , (2)
где С1, С2 — объемные концентрации фаз в двухфазном композите, С2 = 1 – С1.
По полученным результатам (1) и (2) рассчитывают модуль упругости двухфазного
композита:
**3
**9
*
K
K
E (3)
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
335
Если соотношение значений модуля упругости фаз в двухфазном композите невелико
(Е1/Е2 3), разница между полученными границами мала. Данные для расчета приведены в табл.
4. Как видим из данных, такое соотношение выполняется между любыми двумя значениями мо-
дуля упругости тугоплавких соединений, составляющих связку: EAlN/EAlB2 = 1,6; ETiB2/EAlB2 = 2,5;
ETiB2/EAlN = 1,5. Отметим, что при постоянном содержании Al в шихте (10 %) модуль упругости
композита будет зависеть от концентрации сВN и TiB2; при этом EсВN/ETiB2 = 1,7.
Таблица 4. Упругие постоянные тугоплавких соединений
Фаза Е, ГПа К, ГПа μ, ГПа υ
Литературныйи-
сточник
сBN 909 400 405 0,121 [4]
TiB2 540 415 225 0,29 [5]
AlN 350 243 139 0,26 [5]
AlB2 215 170 83 0,29 [6]
Второй подход состоит в расчете упругих постоянных композитов по правилу смеси.
При этом используют аддитивные среднеарифметические ( aE ) или среднегеометрические
( gE ) значения.
i
iia ECE * (4)
i
C
ig
iEE * (5)
Пример расчета по формулам (1–5) показывает, что среднее геометрическое находит-
ся в пределах вилки Фойгта–Рейсса, т. е. для изучаемых композитов значения Eg* более кор-
ректны, чем Еа* (рис. 3).
Рис.3. Зависимости расчетных значений модуля упругости композита сBN–Al–TiB2 в от
объемной концентрации связки (TiB2+AlB2+AlN)
Объемное соотношение фаз в связке композита сBN–Al постоянно при любом содержа-
нии Al в шихте и составляет AlN/AlB2 = 0,61/0,39, расчетный модуль упругости связки Е*св1 =
290 ГПа; ЕcBN/Есв1 = 3,13. Расчетное значение модуля упругости композита сBN–10 % Al соста-
вило Е* = 716–756 ГПа (табл. 5). Полученное расчетное значение совпадает со значением Е =
737±22 ГПа, экспериментально полученным методом динамического резонанса для коммерче-
ской продукции BZN6000, содержащей те же 90% сBN и Со [7].
Выпуск 13. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
336
Таблица 5. Расчетные значения эффективного модуля упругости E* (ГПа) для компози-
тов, полученных из шихты cBN–TiB2–10% Al
Содержание
в шихте
(масс.%)
TiB2 0 5 10 15 20 25
cBN 90 85 80 75 70 65
Содержание в ком-
позите (об. %) cBN
81,76 77,71 73,56 69,33 65,00 60,58
Связка (TiB2–AlB2–AlN)
Emin* 289 321 347 366 382 394
Emax* 291 324 351 371 388 400
Eg* 291 323 350 370 387 399
Композит cBN–(TiB2–AlB2–AlN), ГПа
Emin* 716 705 694 680 666 651
Emax* 756 739 723 707 690 674
Eg* 737 721 705 689 672 657
PCBN фирмы “General Electric”
BZN6000 (exp) [7] 737±22 – – – – –
BZN7000 (exp) [7] – – 709±8 – – –
BZN8100 (exp) [7] – – – – – 648±11
Корреляция между расчетными значениями модуля упругости связки и деформацион-
ным упрочнением cBN показана на рис. 4.
0 5 10 15 20 25
300
400
500
600
700
Е*cв.
g
Е*комп.
g
М
од
ул
ь
уп
ру
го
ст
и,
Г
П
а
Содержание TiB
2
в шихте, % масс.
а
0 5 10 15
20
22
24
26
р=7,7 ГПа
Т=2300 К
р=4,2 ГПа
Т=1750 КО
К
Р,
н
м
Содержание TiB
2
в шихте, % мас.
0 5 10 15
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
р=7,7 ГПа
Т=2300 К
р=4,2 ГПа
Т=1750 К
,
1
011
с
м
-1
Содержание TiB
2
в шихте, % мас.
б в
Рис. 4. Расчетные значения модуля упругости связки и композита (а), параметры реальной
структуры сBN: размер ОКР (б) и плотность дислокаций (в)
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
337
В шихте cBN–TiB2–10 % Al с увеличением содержания ТіВ2 уменьшается содержание
сBN, поэтому твердость композита должна снижаться. Однако при небольшом содержании
диборида (5–10 %), более существенным оказывается фактор деформационного упрочнения
сBN, которое находится в прямой корреляции с модулем упругости связки. Такая корреляция
поясняется ростом касательных напряжений на межфазных границах сBN-связка при увели-
чении модуля упругости связки. Это приводит к зависимости с максимумом твердости при
10 % TiB2 в шихте (см. рис. 2).
Выводы
Результаты расчетных оценок упругих постоянных композита системы сBN–Al–TiB2 и
связки в этом композите (AlN, TiB2, AlB2) показали, что с увеличением содержания TiB2 в шихте
модуль упругости композита снижается, а модуль связки – повышается. Увеличение модуля
упругости связки инициирует деформационное упрочнение сBN. Влияние этого фактора оказы-
вается более значимым, чем снижение содержания сBN, только при небольших добавках TiB2
(до 10 %), поэтому здесь твердость композита принимает максимальное значение (см. рис. 2).
Литература
1. Spriggs G. E. Hard materials// Powder Metallurgy Data. Refractory, Hard and Intermet. Ma-
ter. – Berlin: Springer-Verlag, 2002. – P. 28–220.
2. Перестройка деформационной субструктуры поликристаллов при спекании в условиях
высоких давлений микронных и субмикронных порошков КНБ / Н. П. Беженар, А. А.
Шульженко, С. А. Божко и др.. // Сверхтвердые матер. – 2002. – № 4. – С. 24–34.
3. Новиков Н. В., Майстренко А. Л., Кулаковский В. Н. Сопротивление разрушению
сверхтвердых композиционных материалов. – К.: Наук. думка, 1993. – 224 с.
4. D’Evelyn Mark P., Zgonc Kornelija. Elastic properties of polykrystalline cubic boron nitride
and diamond by dynamic resonance measurements // Diamond Relat. Mater.–1997. – № 6. –
Р. 812–816.
5. Самсонов Г. В., Винницкий И. М. Тугоплавкие соединения: справочник. – М.: Метал-
лургия, 1976. – 560 с.
6. Crystal structure and lattice dynamics of AlB2 under pressure and implications for MgB2. / I.
Loa, K. Kunc, K. Syassen, P. Bouvier // ArXiv cond-mat /0206051/, 2002. – V. 1.
7. D’Evelyn Mark P., Taniguchi Takashi. Elastic properties of translucent polykrystalline cu-
bic boron nitride as characterized by the dynamic resonance metod // Diamond Relat. Mater.
– 1999. – № 8. – Р. 1522–1526.
Поступила 21.06.10
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-23455 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-25T11:07:20Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гарбуз, Т.А. Беженар, Н.П. Божко, С.А. Лошак, М.Г. Александрова, Л.И. 2011-07-04T15:30:51Z 2011-07-04T15:30:51Z 2010 Композиты сBN, упрочненные сокомодульными боридами / Т.А. Гарбуз, Н.П. Беженар, С.А. Божко, М.Г. Лошак, Л.И. Александрова // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2010. — Вип. 13. — С. 332-337. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23455 621.762.5:661.657.5 Calculated estimations of coefficient of elasticity of composites cBN-Al-TiB2 binding depending on content ТіВ2 in an initial charge are executed. Influence of this factor on a deformation strengthening of сBN and composites hardness is shown. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Композиты сBN, упрочненные сокомодульными боридами Article published earlier |
| spellingShingle | Композиты сBN, упрочненные сокомодульными боридами Гарбуз, Т.А. Беженар, Н.П. Божко, С.А. Лошак, М.Г. Александрова, Л.И. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| title | Композиты сBN, упрочненные сокомодульными боридами |
| title_full | Композиты сBN, упрочненные сокомодульными боридами |
| title_fullStr | Композиты сBN, упрочненные сокомодульными боридами |
| title_full_unstemmed | Композиты сBN, упрочненные сокомодульными боридами |
| title_short | Композиты сBN, упрочненные сокомодульными боридами |
| title_sort | композиты сbn, упрочненные сокомодульными боридами |
| topic | Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| topic_facet | Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/23455 |
| work_keys_str_mv | AT garbuzta kompozitysbnupročnennyesokomodulʹnymiboridami AT beženarnp kompozitysbnupročnennyesokomodulʹnymiboridami AT božkosa kompozitysbnupročnennyesokomodulʹnymiboridami AT lošakmg kompozitysbnupročnennyesokomodulʹnymiboridami AT aleksandrovali kompozitysbnupročnennyesokomodulʹnymiboridami |