Температурная зависимость микротвёрдости композитов на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза
Рассмотрены результаты изучения твёрдости, трещиностойкости и температурной зависимости микротвёрдости композитов на основе нанопорошков алмаза детонационного синтеза (УДА) и карбидов тугоплавких металлов в сравнении с поликристаллами на основе алмазного порошка статического синтеза. Показано, что к...
Saved in:
| Published in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2012
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75218 |
| 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: | Температурная зависимость микротвёрдости композитов на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза / А.А. Бочечка, Л.И. Александрова, М.Г. Лошак, В.С. Гаврилова, С.Н. Назарчук // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 151-157. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859744794232750080 |
|---|---|
| author | Бочечка, А.А. Александрова, Л.И. Лошак, М.Г. Гаврилова, В.С. Назарчук, С.Н. |
| author_facet | Бочечка, А.А. Александрова, Л.И. Лошак, М.Г. Гаврилова, В.С. Назарчук, С.Н. |
| citation_txt | Температурная зависимость микротвёрдости композитов на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза / А.А. Бочечка, Л.И. Александрова, М.Г. Лошак, В.С. Гаврилова, С.Н. Назарчук // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 151-157. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | Рассмотрены результаты изучения твёрдости, трещиностойкости и температурной зависимости микротвёрдости композитов на основе нанопорошков алмаза детонационного синтеза (УДА) и карбидов тугоплавких металлов в сравнении с поликристаллами на основе алмазного порошка статического синтеза. Показано, что композит УДА—WC имеет наиболее высокий из рассмотренных материалов уровень физико-механических характеристик.
Розглянуто результати вивчення твердости, тріщиностійкости і температурної залежности мікротвердости композитів на основі нанопорошків діяманту детонаційної синтези (УДА) і карбідів тяжкотопких металів у порівнянні з полікристалами на основі діямантового порошку статичної синтези. Показано, що композит УДА—WC має найбільш високий з розглянутих матеріялів рівень фізико-механічних характеристик.
Results of the study of hardness, crack resistance, and temperature dependence of microhardness of composites based on diamond nanopowders fabricated under the detonation synthesis (UDD) and carbides of refractory metals in comparison with those of polycrystals synthesized from diamond nanopowder by means of the static synthesis are considered. As shown, the UDD—WC composite has the highest level of physical-mechanical properties.
|
| first_indexed | 2025-12-01T20:26:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
151
PACS numbers:62.20.Qp, 62.23.Pq,81.05.uj,81.07.Wx,81.20.Ka,81.40.Np, 82.33.Vx
Температурная зависимость микротвёрдости композитов
на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза
А. А. Бочечка, Л. И. Александрова, М. Г. Лошак, В. С. Гаврилова,
С. Н. Назарчук
Институт сверхтвёрдых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины,
ул. Автозаводская, 2,
04074 Киев, Украина
Рассмотрены результаты изучения твёрдости, трещиностойкости и темпе-
ратурной зависимости микротвёрдости композитов на основе нанопорошков
алмаза детонационного синтеза (УДА) и карбидов тугоплавких металлов в
сравнении с поликристаллами на основе алмазного порошка статического
синтеза. Показано, что композит УДА—WC имеет наиболее высокий из рас-
смотренных материалов уровень физико-механических характеристик.
Розглянуто результати вивчення твердости, тріщиностійкости і температу-
рної залежности мікротвердости композитів на основі нанопорошків діяма-
нту детонаційної синтези (УДА) і карбідів тяжкотопких металів у порівнян-
ні з полікристалами на основі діямантового порошку статичної синтези.
Показано, що композит УДА—WC має найбільш високий з розглянутих ма-
теріялів рівень фізико-механічних характеристик.
Results of the study of hardness, crack resistance, and temperature dependence
of microhardness of composites based on diamond nanopowders fabricated un-
der the detonation synthesis (UDD) and carbides of refractory metals in compar-
ison with those of polycrystals synthesized from diamond nanopowder by means
of the static synthesis are considered. As shown, the UDD—WC composite has
the highest level of physical-mechanical properties.
Ключевые слова: алмазные нанокомпозиты, твёрдость, высокая температу-
ра, деформация, индентор.
(Получено 18 октября 2010 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
Получение наноструктурных поликристаллов или композитов из
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2012, т. 10, № 1, сс. 151—157
© 2012 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
152 А. А. БОЧЕЧКА, Л. И. АЛЕКСАНДРОВА, М. Г. ЛОШАК и др.
алмазных нанопорошков как детонационного, так и статического
синтеза позволяет изготовлять на их основе лезвийный инструмент
для чистовой обработки широкого класса материалов. Поэтому
улучшение эффективности процесса спекания алмазных нанопо-
рошков является актуальной задачей.
Как показано в [1], при спекании алмазного нанопорошка дето-
национного синтеза без добавок и без дегазации при Т > 1200°С
начинается интенсивная его графитизация за счет взаимодействия
алмаза с кислородсодержащими соединениями, которые находятся
в порах поликристалла, и функциональными группами на поверх-
ности алмазных наночастиц. Вакуумная дегазация дает возмож-
ность повысить температуру спекания до 1600°С, однако дальней-
шее повышение температуры вызывает графитизацию. Кроме того,
при спекании алмазных микро- и нанопорошков не наблюдается
суммирование внешнего и капиллярного давлений, в результате
чего при одинаковых параметрах спекания плотность спеченных
поликристаллов снижается с уменьшением размера спекаемых ча-
стиц [2]. Было показано [3], что добавление к алмазному нанопо-
рошку детонационного синтеза субмикропорошка карбида воль-
фрама или карбида ванадия способствует спеканию алмазной со-
ставляющей нанокомпозита при температурах выше 1600°С.
В настоящей работе приведены результаты изучения темпера-
турной зависимости твердости композитов на основе алмазного
нанопорошка УДА и карбидов переходных металлов, а также, для
сравнения, поликристалла, спеченного из алмазного нанопорошка
статического синтеза.
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для спекания образцов были использованы алмазный нанопорошок
статического синтеза АСМ5 0,1/0 с размером частиц 50—100 нм
производства Опытного завода ИСМ, а также алмазный нанопоро-
шок детонационного синтеза – ультрадисперсный алмаз (УДА) [4],
диапазон размеров частиц которого составляет 2—20 нм [5]. Для
очистки от различного рода примесей выполнена химико-термиче-
ская обработка порошков.
Выполнение десорбции газов, физически адсорбированных по-
верхностью порошков АСМ5 0,1/0 и УДА, осуществлялось путем
термообработки в вакууме при температуре 500°С до давления оста-
точных газов 10−3
Па компактов, спрессованных из указанных по-
рошков. В соответствии с [6] при такой температуре с поверхности
нанодисперсных алмазных порошков практически полностью уда-
ляются физически адсорбированные вода и СО2.
Эксперименты при высоком давлении были выполнены в АВД
типа «тороид» с диаметром центрального углубления 20 мм [7].
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ МИКРОТВЁРДОСТИ КОМПОЗИТОВ 153
Герметизация рабочего объема АВД осуществлялась механически.
После спекания полученные образцы были химически очищены
от остатков материала контейнера. Для подготовки поверхностей к
измерениям произведена механическая обработка образцов. Мето-
дом гидростатического взвешивания в воде определена их плот-
ность [8]. Доверительный интервал определения плотности при
надежности 0,95 составлял 0,01 г/см
3.
Температурную зависимость микротвердости изготовленных
композитов определяли с помощью установки ВИТ-2 [9]. В рабочей
камере установки размещены нагревательное устройство с рубаш-
кой охлаждения, узел перемещения образца с приводом и рычаж-
ное устройство с индентором, грузом, контактным устройством.
Давление остаточных газов в вакуумной камере не превышало
2,6⋅10−3
Па. Нагрев образца и индентора – радиационный, управ-
ление температурой осуществлялось программным регулятором
температуры РТП-3М, обеспечивающим диапазон температур 100—
1600°С с точностью ±0,5°С. Измерение температуры осуществляли с
помощью вольфрам-рениевой термопары ВР-5/20. При фиксиро-
ванной температуре индентором Виккерса при нагрузке 5 Н на об-
разец наносили по три отпечатка. Размер диагонали отпечатков по-
сле извлечения образца из камеры измеряли с помощью оптическо-
го микроскопа «Неофот». Величину твердости вычисляли как от-
ношение нагрузки к площади поверхности полученного пирами-
дального отпечатка. Доверительный интервал определения твердо-
сти при надежности 0,95 не превышал 6 ГПа.
Трещиностойкость определяли по Палмквисту при нагрузке 50 Н
[10].
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В таблице 1 представлены условия получения поликристаллов и
композитов на основе алмазных нанопорошков статического и де-
тонационного синтеза: состав смеси для спекания, использование
(+) или отсутствие (−) вакуумной дегазации, параметры спекания в
АВД (температура Тсп и продолжительность t), а также физико-
механические свойства полученных образцов – твердость HV5
(нагрузка на индентор 50 Н), микротвердость Hμ (нагрузка на ин-
дентор 5 Н), трещиностойкость KIc, определенные при комнатной
температуре.
Как видно из приведенных данных, самый высокий уровень фи-
зико-механических свойств достигается при использовании в каче-
стве добавки к УДА субмикронного порошка карбида вольфрама,
при этом и по микротвердости, и по трещиностойкости полученные
композиты превышают даже поликристаллы на основе алмазного
нанопорошка статического синтеза. Несмотря на то, что по харак-
154 А. А. БОЧЕЧКА, Л. И. АЛЕКСАНДРОВА, М. Г. ЛОШАК и др.
теру уплотнения композита добавка порошка карбида ванадия ана-
логична добавке карбида вольфрама [3], уровень достигнутых
свойств композита УДА—VC несколько ниже чем УДА—WC. В отли-
чие от нанокомпозита на основе АСМ5 0,1/0 и кобальта [12], добав-
ка Со в смесь УДА—WC существенно снижает не только плотность
[3], но и величины твердости и микротвердости полученного компо-
зита как при комнатной температуре (см. табл. 1), так и при нагреве
(рис. 1). Причем особенно резкое снижение наблюдается при темпе-
ратуре 600°С.
Температурная зависимость твердости алмаза определяется ме-
ханизмом его течения под действием высокого локального напря-
жения, создаваемого индентором. Несмотря на то, что алмаз явля-
ется самым твердым и очень хрупким веществом, считается, что
образование отпечатка под индентором при комнатной температуре
происходит за счет его пластической деформации [13]. Авторы ра-
ТАБЛИЦА 1. Условия получения и физико-механические свойства поли-
кристаллов и композитов, спеченных из алмазных нанопорошков.
№
об.
Состав смеси
Вакуумная
дегазация
Параметры
спекания HV5,
ГПа
Hμ,
ГПа
KIc,
МПа·м1/2 алмазный
порошок
добавки Тсп, °С t, c
1 АСМ5
0,1/0
— — 1500 20 20,5 21,7 2,3—3,0
2 УДА WC + 1500 20 26,1 32,7 6,5
3 УДА WC, Co + 1500 20 18,6 24,6 не опр.
4 УДА VC + 1450 15 20,0 25,4 4,4
Рис. 1. Зависимость микротвердости поликристаллов и композитов на ос-
нове алмазных нанопорошков от температуры (цифрами указаны номера
образцов в табл. 1).
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ МИКРОТВЁРДОСТИ КОМПОЗИТОВ 155
боты [14] на полученной ими зависимости микротвердости алмаза
от температуры выделяют два участка: линейную зависимость при
низких температурах и экспоненциальную – при высоких.
Однако если представить указанную зависимость Hμ(T) в коор-
динатах lnHμ—1/T, где T – температура в К (рис. 2), то можно
утверждать, что эта зависимость характеризуется тремя участка-
ми, которые описываются экспоненциальной функцией
0 exp а
E
H H
RT
μ
=
,
где H0 – константа; R – универсальная газовая постоянная.
Отмеченные участки различаются энергией активации Еа (табл.
2), и, соответственно, ход кривой на каждом из них определяется
различным механизмом течения алмаза под индентором. На участ-
ке III механизм течения алмаза под индентором достаточно изучен
и в соответствии с работой [14] связан с дислокационным механиз-
мом пластической деформации, где движение дислокаций рассмат-
ривается как результат термически активируемого образования и
перемещения двойных перегибов с учетом прямых и обратных
скачков дислокаций. В то же время механизм течения на участках I
и II нуждается в уточнении.
Если представить температурную зависимость микротвердости
поликристаллических материалов, показанную на рис. 1, в коор-
динатах lnHμ—1/T (рис. 3), то можно заметить, что по наклону ли-
ний, т.е. по величине энергии активации, они близки к зависимо-
стям на участках I и II для природного алмаза.
Это означает, что температурнозависимые составляющие меха-
низма течения под индентором в монокристалле алмаза и в поли-
Рис. 2. Температурная зависимость микротвердости природного алмаза
(грань (001)) в координатах lnHμ—1/T (экспериментальные значения взя-
ты из работы [14]).
156 А. А. БОЧЕЧКА, Л. И. АЛЕКСАНДРОВА, М. Г. ЛОШАК и др.
кристаллических материалах на основе алмазных нанопорошков
как детонационного, так и статического синтеза, по крайней мере, в
интервале 290—610 К существенно не отличаются. Различия
наблюдаются в абсолютных значениях микротвердости. Даже с
увеличением температуры разница в значениях Нμ для исследован-
ных образцов, за исключением образца 3, не уменьшается. Темпе-
ратурно-независимыми факторами, которые влияют на образова-
ние отпечатка под индентором, являются степень уплотнения в по-
ликристалле и уровень связи между спеченными частицами. По
этим показателям лучшим из исследованных в настоящей работе
материалов является композит УДА—WC.
Резкое падение твердости для образца 3 на участке II свидетель-
ствует, очевидно, о том, что взаимодействие алмазной составляю-
щей с кобальтом в композите УДА—WC—Co при 600°С и выше при-
водит к необратимой деградации материала.
4. ВЫВОДЫ
1. Самый высокий уровень физико-механических свойств исследо-
ТАБЛИЦА 2. Энергия активации, характеризирующая механизм течения
алмаза под индентором (на основе зависимости, полученной в работе [14]).
Температурный участок
(рис. 2)
Диапазон температур, К Eа, кДж/(моль⋅К)
I 77—610 0,29±0,02
II 610—1310 11,6±0,9
III 1310—2000 59±5
Рис. 3. Температурная зависимость микротвердости монокристалла при-
родного алмаза (ND) и поликристаллических алмазных материалов в ко-
ординатах lnHμ—1/T (цифрами указаны номера образцов в табл. 1).
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ МИКРОТВЁРДОСТИ КОМПОЗИТОВ 157
ванных композитов на основе УДА достигается при использовании
в качестве добавки к УДА субмикронного порошка карбида воль-
фрама. По микротвердости и по трещиностойкости полученные
композиты превышают другие композиты на основе УДА и поли-
кристаллы на основе алмазного нанопорошка статического синтеза
АСМ5 0,1/0.
2. Температурно-зависимые составляющие течения под индентором
в монокристалле алмаза и в поликристаллических материалах на
основе алмазных нанопорошков как детонационного, так и стати-
ческого синтеза в интервале 290—610 К существенно не отличаются.
3. Добавка Со в смесь УДА—WC существенно снижает величины
твердости и микротвердости полученного композита как при ком-
натной температуре, так и при нагреве. Взаимодействие алмазной
составляющей с кобальтом в композите УДА—WC—Co при 600°С и
выше приводит к необратимой деградации материала.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. А. А. Шульженко, А. А. Бочечка, Л. А. Романко и др., Сверхтв. материа-
лы, № 6: 50 (2000).
2. А. А. Бочечка, Л. А. Романко, В. С. Гаврилова, С. М. Коновал, С. Н. Назар-
чук, Сверхтв. материалы, № 1: 24 (2007).
3. А. А. Бочечка, Л. А. Романко, Д. Ю. Шаповалов, С. Н. Назарчук, Породо-
разрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и
технология его изготовления и применения (Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля
НАН Украины: 2006), вып. 9, с. 190.
4. К. В. Волков, В. В. Даниленко, В. И. Елин, Физика горения и взрыва, № 3:
123 (1990).
5. В. В. Даниленко, И. А. Петруша, Г. С. Олейник, Н. В. Даниленко, Сверхтв.
материалы, № 4: 53 (1998).
6. А. В. Ножкина, Н. А. Колчеманов, А. А. Карданов, П. Я. Детков, Сверхтв.
материалы, № 1: 78 (2000).
7. А. А. Шульженко, В. Г. Гаргин, В. А. Шишкин, А. А. Бочечка, Поликри-
сталлические материалы на основе алмаза (Киев: Наукова думка: 1989).
8. С. С. Кивилис, Плотномеры (Москва: Энергия: 1980).
9. В. Н. Бакуль, В. В. Евдокименко, Л. И. Литвинова и др., Синтетические
алмазы, вып. 1: 20 (1978).
10. С. Н. Дуб, В. И. Мальнев, Методы исследования свойств сверхтвердых
материалов (Киев: ИСМ АН УССР: 1981), с. 21.
11. Г. П. Богатырева, М. Н. Волошин, Сверхтв. материалы, № 4: 82 (1998).
12. A. A. Shulzhenko, А. A. Bochechka, A. N. Sokolov, and V. G. Gargin, . Proc. of
the International Conference ‘Deformation and Fracture in Structural PM Ma-
terials’ (September 27—30, 2005, Stará Lesná, Slovak Republic), p. 124.
13. P. Humble and R. Hannink, Nature, 273, No. 5657: 37 (1978).
14. В. А. Борисенко, О. Н. Григорьев, Ю. В. Мильман и др., Синтетические
алмазы, вып. 6: 12 (1973).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-75218 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T20:26:21Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бочечка, А.А. Александрова, Л.И. Лошак, М.Г. Гаврилова, В.С. Назарчук, С.Н. 2015-01-27T17:42:04Z 2015-01-27T17:42:04Z 2012 Температурная зависимость микротвёрдости композитов на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза / А.А. Бочечка, Л.И. Александрова, М.Г. Лошак, В.С. Гаврилова, С.Н. Назарчук // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 151-157. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 62.20.Qp, 62.23.Pq, 81.05.uj, 81.07.Wx, 81.20.Ka, 81.40.Np, 82.33.Vx https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75218 Рассмотрены результаты изучения твёрдости, трещиностойкости и температурной зависимости микротвёрдости композитов на основе нанопорошков алмаза детонационного синтеза (УДА) и карбидов тугоплавких металлов в сравнении с поликристаллами на основе алмазного порошка статического синтеза. Показано, что композит УДА—WC имеет наиболее высокий из рассмотренных материалов уровень физико-механических характеристик. Розглянуто результати вивчення твердости, тріщиностійкости і температурної залежности мікротвердости композитів на основі нанопорошків діяманту детонаційної синтези (УДА) і карбідів тяжкотопких металів у порівнянні з полікристалами на основі діямантового порошку статичної синтези. Показано, що композит УДА—WC має найбільш високий з розглянутих матеріялів рівень фізико-механічних характеристик. Results of the study of hardness, crack resistance, and temperature dependence of microhardness of composites based on diamond nanopowders fabricated under the detonation synthesis (UDD) and carbides of refractory metals in comparison with those of polycrystals synthesized from diamond nanopowder by means of the static synthesis are considered. As shown, the UDD—WC composite has the highest level of physical-mechanical properties. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Температурная зависимость микротвёрдости композитов на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза Article published earlier |
| spellingShingle | Температурная зависимость микротвёрдости композитов на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза Бочечка, А.А. Александрова, Л.И. Лошак, М.Г. Гаврилова, В.С. Назарчук, С.Н. |
| title | Температурная зависимость микротвёрдости композитов на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза |
| title_full | Температурная зависимость микротвёрдости композитов на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза |
| title_fullStr | Температурная зависимость микротвёрдости композитов на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза |
| title_full_unstemmed | Температурная зависимость микротвёрдости композитов на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза |
| title_short | Температурная зависимость микротвёрдости композитов на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза |
| title_sort | температурная зависимость микротвёрдости композитов на основе алмазного нанопорошка детонационного синтеза |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75218 |
| work_keys_str_mv | AT bočečkaaa temperaturnaâzavisimostʹmikrotverdostikompozitovnaosnovealmaznogonanoporoškadetonacionnogosinteza AT aleksandrovali temperaturnaâzavisimostʹmikrotverdostikompozitovnaosnovealmaznogonanoporoškadetonacionnogosinteza AT lošakmg temperaturnaâzavisimostʹmikrotverdostikompozitovnaosnovealmaznogonanoporoškadetonacionnogosinteza AT gavrilovavs temperaturnaâzavisimostʹmikrotverdostikompozitovnaosnovealmaznogonanoporoškadetonacionnogosinteza AT nazarčuksn temperaturnaâzavisimostʹmikrotverdostikompozitovnaosnovealmaznogonanoporoškadetonacionnogosinteza |