64476

ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРИ І ВЛАСТИВОСТЕЙ НАДТВЕРДИХ КОМПОЗИТІВ В СИСТЕМІ КУБІЧНИЙ НІТРИД БОРУ – ДИБОРИД ТИТАНУ – АЛЮМІНІЙ В УМОВАХ ВИСОКОГО ТИСКУ

Автореферат

Химия и фармакология

Міжнародний стандарт специфікації і застосування твердих інструментальних матеріалів ISO513:2001 ставить вимоги до PCBN в залежності від конкретних операцій і конкретних класів оброблюваних матеріалів.

Украинкский

2014-07-07

798.14 KB

0 чел.

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля

Гарбуз Тетяна Олексіївна

УДК 621.762.5: 661.657.5

ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРИ І ВЛАСТИВОСТЕЙ НАДТВЕРДИХ КОМПОЗИТІВ В СИСТЕМІ КУБІЧНИЙ НІТРИД БОРУДИБОРИД ТИТАНУАЛЮМІНІЙ В УМОВАХ

ВИСОКОГО ТИСКУ

05.02.01Матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ10


Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ.

Науковий керівник:

доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Беженар Микола Павлович,

Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля 

НАН України, м. Київ, 

завідуючий лабораторією спікання полікристалічних і композиційних матеріалів на основі КНБ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, 

старший науковий співробітник

Гадзира Микола Пилипович, 

Інститут проблем матеріалознавства 

ім. І. М. Францевича НАН України, Київ, 

завідуючий відділом неоксидних тугоплавких 

матеріалів та функціональної кераміки.

доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Фесенко Ігор Павлович

Інститут надтвердих матеріалів 

ім. В. М. Бакуля НАН України, м. Київ,

провідний науковий співробітник відділу 

перспективних технологій надвисоких тисків, 

дисперсних матеріалів та спікання кераміки.

Захист відбудеться «10»  червня 2010 р. о     годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.230.01 при Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля  НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України.

Автореферат розісланий «6»  травня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук      В.І. Лавріненко


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Композиційні надтверді матеріали на основі кубічного нітриду бору (cBN) відносяться до інструментальних матеріалів класу PCBN, які широко відомі в світі основною продукцієюріжучими пластинами. Передові позиції по розробці нових PCBN займають фірми Element Six (ПАР), Generаl Electric та Megadiamond (США), Sumitomo Electric (Японія). Розробки PCBN проводяться в наукових установах Росії і Білорусі. В Українів Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України та Інституті проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України.

Міжнародний стандарт специфікації і застосування твердих інструментальних матеріалів ISO513:2001 ставить вимоги до PCBN в залежності від конкретних операцій і конкретних класів оброблюваних матеріалів. Це вязкість руйнування на чорнових операціях металообробки при великому навантаженні на лезо і зносостійкість на операціях фінішної обробки, де навантаження менші, а швидкості різання більш високі. Тут зносостійкість PCBN забезпечується певним рівнем твердості, хімічною нейтральністю cBN і складових звязки до матеріалу, що оброблюється, а також дисперсністю структури з перевагою загальної площі міжфазних границь над площею міжзеренних. Останню вимогу до структури відомі світові фірми вирішують тим, що для фінішних і напівфінішних операцій лезової обробки виробляють PCBN, які поряд з cBN містять до 55 % TiC, TiN, або разом з такими тугоплавкими сполуками титану сполуки алюмінію. 

Доробок в даному напрямку: в ІНМ ім. В. М. Бакуля був отриманий гетерофазний композит з шихти cBNAl (киборит-2). Його особливість –поєднання матричної високомодульної фази cBN (близько 80 %) і низькомодульної звязки (AlN і AlB2), що стало визначальним фактором формування високої твердості і тріщиностійкості композиту, і відповідало вимогам для операцій чорнового і напівчистового точіння, але вимогам до фінішних операцій – не в повній мірі. Причиною цього була значна відмінність в фізико-механічних властивостях cBN і тугоплавких сполук алюмінію, що приводило до недосконалості леза на операціях заточки. 

В рекламно-інформаційних виданнях і науковій літературі не згадуються композити cBN інструментального призначення, що містять TiB2, невідомі їх фізико-механічні властивості і відсутній досвід використання такого інструменту. Завдяки близькості кристалографічних параметрів, AlB2 і TiB2 можуть утворювати твердий розчин, при цьому підвищений модуль пружності зв’язки буде сприяти зростанню твердості і зносостійкості композиту.

У зв’язку з викладеним вище є актуальним дослідження закономірностей формування структури та властивостей композитів при спіканні в умовах високого тиску порошкових сумішей складу cBNAlTiB2 для розробки композиту з матрицею cBN, зміцненого диборидами титану та алюмінію.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Відображені в дисертаційній роботі дослідження були проведені в 2005-2009 роках в відділі технології синтезу і спікання надтвердих матеріалів при високих тисках ІНМ ім. В. М. Бакуля НАН України в рамках наступних тем: III––(0125) –«Дослідження закономірностей формування структури і властивостей при спіканні в умовах високого тиску надтвердих композитів на основі кубічного нітриду бору, зміцнених тугоплавкими боридами» (№ держреєстрації 0107U002661), III––(0119) –«Дослідження закономірностей отримання при високих тисках нероз’ємного з’єднання тріщиностійкого електропровідного шару на основі cBN з твердосплавною підкладкою» (№ держреєстрації 0102U002276); III––(1176) –«Визначення залежності міцності та тріщиностійкості нових надтвердих композиційних матеріалів, твердих сплавів та функціональної кераміки від їх складу та структури» (№ держреєстрації 0106U002393).

Метою роботи було встановлення закономірностей формування структури і властивостей надтвердих композитів, одержаних спіканням при високому тиску порошкових сумішей складу кубічний нітрид бору – алюміній – диборид титану, і розробка композиту з матрицею cBN, зміцненого диборидами титану та алюмінію.

Відповідно до мети основними задачами досліджень були: 

1. Дослідити закономірності реакційної взаємодії при високому тиску в системі cBNAl–ТіВ2, формування фазового складу і структури композитів в залежності від вмісту ТіВ2 в шихті; уточнити кристалічну структуру фазпродуктів реакційного спікання при високому тиску шихти cBNAl–ТіВ2, визначити вплив ТіВ2 на реальну структуру cBN в композитах; визначити характер розподілу фаз в об’ємі композитів, розмір зерен фазових складових, особливості формування міжфазних границь; типи руйнування композитів. 

2. Визначити вплив вмісту ТіВ2 в шихті, р,Т–параметрів і тривалості спікання, типу АВТ на фізико-механічні властивості композитів; оптимізувати склад шихти і р,Т-параметри спікання за твердістю, електропровідністю, густиною і зносостійкістю при випробуванні на операціях тонкого точіння. 

3. Розробити надтвердий композит з неперервною фазою сBN при розмірі зерен в мікронному діапазоні, зміцнений диборидами титану і алюмінію при розмірі їх зерен в субмікронному діапазоні; одержати експериментальні зразки діаметром від 7 до 30 мм в твердосплавних і стальних АВТ. 

4. Провести функціональні випробування надтвердого композиту, одержаного в системі cBNAlTiB2, на операціях лезової обробки.

Об’єкт досліджень. Фізико-технологічні процеси одержання при високому тиску надтвердих композитів на основі кубічного нітриду. 

Предмет досліджень. Спікання при високому тиску порошкових сумішей складу кубічний нітрид боруалюмінійдиборид титану, дослідження структури і властивостей одержаних композитів.

Методи досліджень. Техніка високих тисків, рентгенівська дифрактометрія, електронна мікроскопія з мікродифракцією. Густину визначали методом гідростатичного зважування в рідині, а для зразків правильної геометричної форми  вимірюванням геометричних розмірів і маси. Твердість визначали методом індентування з використанням алмазних пірамід Кнупа, Вікерса; тріщиностійкість  методом індентування пірамідою Вікерса при навантаженні 50 Н; питому електропровідністьвимірюванням електроопору зразків правильної геометричної форми; зносостійкістьпо фіксації зносу при механічній обробці вільним абразивом та визначенням зносу різця при точінні загартованої сталі.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Встановлено особливості фізико-хімічної взаємодії при спіканні шихти cBNAlТіВ2 в умовах високого тиску, які полягають в тому, що добавка дибориду титану активує спікання, тобто знижує температуру і прискорює реакційну взаємодію, зсуваючи її в бік утворення дибориду замість вищих боридів алюмінію, сприяє утворенню твердих розчинів в системі AlB2ТіВ2 та виконує роль модифікатора структури за рахунок одночасної кристалізації з розплаву продуктів реакції і як результат формування дрібнодисперсної зв’язки з гомогенним розподілом фазових складових.

2. Методом рентгеноструктурного аналізу, з уточненням позицій атомів в кристалічній гратці твердих розчинів AlВ2TiB2, показано, що на відміну від кожного з диборидів AlВ2 і TiB2, кристалічні гратки яких містили вакансії в правильних позиціях Al і Ti, в твердих розчинах ТіхAl1хB2, отриманих при високому тиску, позиції металів заповнені, атоми Ті і Al розміщені статистично, а їх атомні частки можна змінювати вибором р,Т-параметрів спікання та співвідношенням площі контактів cBN–Al і TiB2Al.

3. Показано, що при невеликому вмісті в шихті TiB2 (5 % мас.), коли кристалізації фаз передувало практично повне його розчинення в розплаві Al, особливістю структури зразків згідно результатам електронної мікроскопії з мікродифракцією був розмір зерен фазових складових (AlN i ТіхAl1хB2) переважно в нанодіапазоні, а також ідентифікація на границі між сBN і ТіхAl1хB2 шару або окремих включень боронітриду титану Тi68B10N22 з нанорозмірним зерном, що забезпечувало суцільність і високу міцність міжфазних границь в композиті.

4. Встановлено, що при спіканні композитів системи cBNAl добавка TiB2 в шихті сприяє підвищенню модуля пружності і твердості зв’язки, наслідком чого є зростання дотичних напруг на міжфазних границях і деформаційне зміцнення матриці cBN. 

Практичне значення одержаних результатів.

В результаті виконання дисертаційної роботи створено новий зносостійкий композит на основі кубічного нітриду бору, зміцнений диборидами титану і алюмінію, та розроблено ресурсозберігаючий спосіб його виробництва. Область застосування композиту виготовлення лезового інструменту підвищеної зносостійкості, призначеного для операцій тонкого точіння.

За твердістю (HKN=345 ГПа) і тріщиностійкістю (6,5 МПа∙м1/2) новий композит є конкурентноздатним по відношенню до відомої марки PCBN фірми «Element Six» –DBA80.

Дослідно-промислова партія нового композиту була отримана в умовах підприємства «Алкон-Кристал». При випробуванні різальних пластин з нового композиту на фінішних операціях точіння сталі ХВГ (HRC58-60) встановлена підвищена їх зносостійкість в порівнянні з композитами системи cBNAl киборит-1 і киборит-2.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі наведені результати досліджень, які були виконані при безпосередній участі автора за останні 5 років. Особистий внесок автора полягає у плануванні і проведенні основних експериментів з отримання надтвердих композитів в системі cBNAlTiB2 при високому тиску, підготовка зразків для вивчення їх структури та властивостей, проведення досліджень по визначенню густини, твердості, електропровідності, абразивної стійкості експериментальних зразків. Постановку досліджень та обговорення їх результатів виконано спільно з науковим керівником роботи д.т.н. Беженарем М. П. Особисто автором сформульовані всі основні узагальнюючі положення дисертаційної роботи.

Рентгеноструктурні дослідження композитів проводили спільно з к.ф.-м.н. Білявиною Н. М. та к.т.н. Божко С. А. Дослідження методами електронної мікроскопії спільно з д.ф.-м.н. Олєйник Г. С. Дослідження тріщиностійкості і температурної залежності твердості спільно з к.т.н. Александровою Л. І. Моделювання теплових полів в АВТ спільно з Цисар Т. О. Випробування різальних пластин з нового композиту спільно з к.т.н. Стахнівим М. Є, к.т.н. Мельнійчуком Ю. О. та провідним інженером МВНДП «Лінатек» Карасем В. І. 

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на міжнародних конференціях: «Структурна релаксація у твердих тілах» (Вінницький державний педагогічний університет ім. М. Коцюбинського, 2006 і 2008 р.); «Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструменттехника и технология его изготовления и применения» (Крим, Морське, 20062009 рр); «Высокие давления: фундаментальные и прикладные аспекты» (Донецький фізико-технічний інститут ім. А. А. Галкіна, Крим, Судак, 2006 і 2008 р.); «Сучасні проблеми фізики твердого тіла» (Київський Національний Університет ім. Тараса Шевченка, 2007 р.); «HighMatTech»– і 2009 р.; «Материаловедение тугоплавких соединений: достижения и проблемы» – 2008 р. (ІПМ ім. І. Н. Францевича); НАНСИС 2007; а також на конференціях молодих вчених: «Надтверді, композиційні матеріали та покриття: отримання, властивості, застосування» (Київ, ІНМ ім. В. М. Бакуля, 2006 і 2008 р.); «ЕВРИКА2007» (Львівський Національний Університет ім. Івана Франка, 2007 і 2009 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 30 наукових праць, серед яких1 статей у фахових виданнях ВАК України, 14тез доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, основних висновків, списку використаних джерел, що нараховує 91 найменувань. Повний обсяг дисертації складає 170 сторінок, основна частина викладена на 152 сторінках, включає 83 таблиці, 41 рисунок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи по дослідженню закономірностей формування структури і властивостей надтвердих композитів в системі кубічний нітрид борудиборид титануалюміній при високому тиску, сформульовано мету та задачі досліджень, показано наукову новизну і практичну цінність.

Перший розділ висвітлює проблеми і досягнення при спіканні полікристалічних надтвердих матеріалів на основі cBN. Наведені марки, характеристики та області застосування інструментальних матеріалів PCBN, створених провідними фірмами світу та України, зокрема. Розглянуті основні вимоги до їх структури, властивостей. Виходячи з аналізу літературних джерел, було сформульовано принципи створення нових матеріалів на основі cBN, що базуються на дослідженні умов формування структури та властивостей композитів при спіканні в умовах високих тиску і температури порошкових сумішей складу cBNAl, cBNAl–тугоплавка сполука. Обґрунтування вибору в якості зв’язуючого матеріалу дибориду титану було пов’язано з досвідом попередніх власних розробок і світових досягнень у створенні композиційних матеріалів на основі сBN. Зазначено, що в світовій практиці для отримання PCBN використовують TiC, TiN, і немає композитів, що містять TiB2, невідомі їх фізико-механічні властивості і відсутній досвід використання такого інструменту. Розглянуті два альтернативні напрямки зміцнення керамічних матеріалів взагалі і cBN зокрема, що приводять до зростання межі плинності (твердості), або тріщиностійкості. Ідея використання високомодульної добавки TiB2 при реакційному спіканні шихти cBNAl припускає зростання твердості і зносостійкості композиту, а також з врахуванням ізоструктурності диборидів титану і алюмініювплив на кінетику реакційної взаємодії, можливість отримувати композити в менш енергоємних процесах.

В результаті аналізу літературних джерел обґрунтовані задачі дослідження для досягнення поставленої мети — встановлення закономірностей формування структури і властивостей надтвердих композитів, одержаних спіканням при високому тиску порошкових сумішей cBNAlTiB2, і розробка композиту з матрицею cBN, зміцненого диборидами титану та алюмінію.

Другий розділ містить методологічну частину роботи. В складі шихти використовували вихідні мікропорошки cBN виробництва ІНМ ім. В.М. Бакуля з розміром зерен від 2 до 60 мкм, в більшості дослідів використовували мікропорошок кубоніту марки КМ 14/10; поелементний склад домішок в ньому (мас. %): С,3; O,2; Si<0,01; Mg<0,03; Fe<0,01; Σ=0,55 мас. %; графітоподібний нітрид бору hBN фазовим рентгенівським аналізом не був ідентифікований. Порошок дибориду титану TiB2 (х.ч.) Донецького заводу хімічних реактивів після розмелювання в планетарному активаторі АПФ мав середній розмір зерен за даними гранулометричного аналізу 2,22 мкм. Стандартний порошок алюмінію марки АСД-1 зернистістю (–) містив 98 % Al активного; 0,4 %Fe; 0,3% Si; 0,03% Cu і Ов складі Al2O3. 

Отримання композитів з шихти cBNAlTiB2 здійснювали за способом двохстадійного реакційного спікання: попереднє просочення під тиском алюмінієм при р=2,5 ГПа, Т=1300 К; температуру і тиск завершальної стадії варіювали (1300, 1750, 2100 і 2300 К, 4,2 і 7,7 ГПа). Експерименти проводили в апаратах високого тиску (АВТ) трьох типорозмірів: тороїд-20 і КЗ-35  матрицями WC-Co), КЗ-55 (матриці з інструментальної сталі Р6М5). З використанням комплексу прикладних програм були розраховані температурні поля в таких АВТ для варіантів різних конструкцій ячейок високого тиску і матеріалів з різними фізичними властивостями. Для точного відтворення заданих р,Т-параметрів при спіканні композитів, залежно від вмісту в шихті компонентів з різною електропровідністю, розроблена методика (М 24.1-291:2009).

Композити досліджували методами рентгеноструктурного аналізу. Дифрактограми отримували на дифрактометрі ДРОН-3 (мідне фільтроване випромінювання) в дискретному режимі: крок сканування 0,05°, час експозиції в кожній точці 4с, інтервал кутів = (24140)°. Первинну обробку дифракційних даних виконували методом повнопрофільного аналізу. З використанням спеціалізованих програмних комплексів визначали якісний та кількісний фазовий склад композитів, уточнювали параметри кристалічних структур диборидів алюмінію, титану, визначали параметри реальної структури cBN. По методу найменших квадратів уточнювали періоди кристалічних ґраток кожної з ідентифікованих фазових складових, а також коефіцієнти заповнення атомами титану і алюмінію правильної системи точок структури типу AlB2 з врахуванням ізотропної температурної поправки і текстурного параметру. Параметри реальної структури cBN розраховували методом апроксимації з використанням в якості еталону монокристалів боразон-500.

Мікроструктуру композитів досліджували методом просвічуючої електронної мікроскопії в поєднанні з мікродифракцією на електронному мікроскопі JEM-100CX. Використовували тонкі фольги композитів, отримані методом іонного травлення і вугільні репліки від зламів зразків. Злами зразків вивчали також на растровому електронному мікроскопі з мікроаналізатором CAMECA SX-50. 

Густину зразків визначали методом гідростатичного зважування в ацетоні з інструментальною похибкою до 1,1 % та вимірюванням геометричних розмірів з інструментальною похибкою до 0,7 %, середня статистична похибка вимірювань складала до 0,3 %. Твердість зразків (HKN) вимірювали інденторами Кнупа, Вікерса та Берковича при навантаженні 9,8 Н на приладі ПМТ-3. На приладі XПО-250 індентором Вікерса при навантаженні 50 Н разом з твердістю (HV5) визначали тріщиностійкість (К1с). 

Електричний опір вимірювали з використанням цифрового омметра Щ34, відносна інструментальна похибка в досліджуваному діапазоні вимірювань становила 5 %. Непрямий метод оцінки міцності композитів полягав в дослідженні їх абразивної стійкості при шліфуванні поверхні пластин алмазним абразивом на чавунній планшайбі з заданими умовами навантаження і тривалістю процесу. Кількісні значення зносу в умовних одиницях визначали висотою знятого шару, віднесено до аналогічної величини, отриманої при випробуванні пластин кибориту-2.

У третьому розділі представлено особливості формування фазового складу і структури композитів. Доцільність таких досліджень була обумовлена впливом дибориду титану на кінетику реакційної взаємодії в системі сBN–Al та структуру композитів. Результати рентгенофазового аналізу зразків з шихти cBN% Al% TiB2 показані на рис. 1, 2. 

Рис. 1. Дифрактограми шихти сBN, 10%Al, 10%TiB2 (a), після її спікання (б)

Рис. 2. Вміст фаз в залежності від температури (а) і тривалості спікання (б) (7,7 ГПа) шихти cBN10% TiB210% Al (%за інтенсивністю відбиттів на дифрактограмах )

Добавка ТіВ2 приводить до одночасної кристалізації нітриду і дибориду алюмінію, на відміну від шихти cBNAl, де кристалізація AlN випереджує. Це забезпечує утворення високодисперсної зв’язки з однорідним розподілом її фазових складових. Значне зростання вмісту фази ТіВ2 відносно її вихідного вмісту пояснюється спільною кристалізацією ТіВ2 з ізоструктурною фазою AlB2 при близьких періодах гратки обох фаз. Такий вплив ТіВ2 спостерігали в широкому інтервалі температур, що включає і область стабільності вищих боридів алюмінію. Присутність ТіВ2 впливає на кінетику спікання і ініціює утворення AlB2 за механізмами епітаксіальної кристалізації з наступним ростом з розплаву фази, що являє собою твердий розчин цих боридів. 

Утворення твердого розчину диборидів може йти за реакцією:

Al + BN + TіB2 = AlN + TіхAl1-хB2   (1)

Тут: хдоля TіB2 в твердому розчині і відповідно 1-х доля AlB2.

Механізм такої реакції пов’язаний з розчиненням cBN i ТіВ2 в розплаві алюмінію з наступною кристалізацією TіхAl1-хB2. Максимальні значення періоду кристалічної гратки алюмінію в зразках після спікання при температурі 1300 К (табл. 1) свідчать про максимальну концентрацію ТіВ2 в розплаві алюмінію на стадії просочення під тиском, коли відбувається диспергування розплаву в об’ємі шихти, що сприяє однорідності поелементного і фазового складу зв’язки в об’ємі композитів. 

Таблиця 1

Період кристалічної гратки Al в шихті cBN% TiB2% Al і зразках після спікання

р,Т

300 K

1300 К; 2,5 ГПа

К; 7,7 ГПа

К; 7,7 ГПа

а, нм

0,40470

,40540

,40570

,40520

Вивчення твердості і абразивного зносу полікристалів свідчать про доцільність отримання PCBN, зв’язка яких містить диборид титану (TiB2) у кількості 50 %. При подальшому зростанні вмісту тугоплавкої сполуки в шихті зростав абразивний знос і падала твердість.

Оцінку залишкових термобаричних деформацій при спіканні в АВТ виконували за методикою для макроскопічно ізотропного двохфазного композиту (cBNTiB2) при стохастичному розподілі фаз. Залишкові термічні напруги в фазі 1:

 

Розрахунок для фази 2 аналогічний з відповідною заміною індексів. Для фаз 1 і 2: С1 і С2об'ємні концентрації; К1 і К2модулі об'ємного стискування; К3=К12; =3К; 1 і 2коефіцієнти лінійного термічного розширення; <>=C11+C22; <K>=C1K1+C2K2; * = *(3K*)-1; *, *, K* —термопружні константи композиту, для розрахунку яких використовують термопружні константи окремих фаз, в тому числі модулі зсуву (G). Тспікання –; ij символ Кронекера (операция складання по індексам, що повторюються). 

Завдяки близьким значенням коефіцієнтів лінійного термічного розширення cBN і ТіВ2, розраховані значення залишкових термічних напруг в кожній з цих фаз після спікання при 7,7 ГПа, 2300 К значно нижчі, ніж міцність на згин, що забезпечує відсутність технологічних ускладнень при спіканні і механічній обробці зразків.

При дослідженні двохшарових пластин, отриманих спіканням шихти cBNAl на підкладці з порошку ТіВ2 було виявлено і підтверджено масоперенос титану в розплаві алюмінію. На дифрактограмах з боку шару cBNAl ідентифікували фазу cтруктурного типу AlB2, яка за періодами гратки могла бути віднесена до твердого розчину диборидів. Результати уточнення її кристалічної структури показали, що обидва метали (титан і алюміній) розподілені за правильною системою точок 1(а) просторової групи P6/mmm статистично. Структура MeB2 повністю укомплектована атомами металів і бором (вакансії не виявлені), а кількісне співвідношення в ній Ti і Al суттєво залежало від технологічних режимів спікання: частка титану в твердому розчині TixAl1-xB2 зростала в разі попереднього просочення під тиском, цьому сприяло зростання вмісту Ті в розплаві (табл. 2). 

Таблиця 2

Результати рентгеноструктурного дослідження двошарових зразків з шихти (cBN% Al) і TiB2, спечених при 7,7 ГПа, 2300 К

Фазовий склад

Періоди ґратки

TixAl1-xB2, нм

x-частка в

TixAl1-xB2

а

с

Ti

Al

Літературні дані 

TiB2

0,3028

,3228

,97

Вихідний порошок

TiB2

,30293(1)

,32278(1)

,97(2)

Спікання при попередньому просоченні алюмінієм

TiB2

0,30297(2)

,32283(1)

,94(2)

cBN(0,862)+AlN(0,111)+MeB2(0,027)

0,30263(3)

,32348(8)

,76(1)

,24(1)

Спікання без попереднього просочення алюмінієм

TiB2

0,30293(2)

,32286(3)

,83(3)

cBN(0,877)+AlN(0,083)+MeB2(0,029)+TiC(0,011)

0,30223(7)

,32402(6)

,40(2)

,60(2)

Літературні дані 

AlB2

,30050

,32537

,90

Примітка. В дужках позначена похибка в останній значущій цифрі.

Експерименти з варіюванням складу шихти і р,Т-параметрів спікання показали, що ці фактори впливають на вміст Ті і Al в твердому розчині, що пояснюється зміною механізмів кристалізації. Якщо вихідний порошок TiВ2 практично повністю розчинявся в розплаві, або шихта його не містила (cBNAlTiC), то з розплаву кристалізувалися тримірні зародки фази ТіхAl1хB2; в іншому випадку відбувався епітаксіальний ріст фази ТіхAl1хB2 на частинках ТіВ2, що не розчинилися в розплаві. Оптимальні умови для реалізації першого механізму: вміст в шихті 5% ТіВ2; р= 4,2 ГПа, Т= 1750 К. В цьому випадку отримували фазу, близьку до еквімолярного складу (х0,5).

Нітрид алюмінію, що утворюється при реакційному спіканні в умовах високого тиску шихти cBN–Al з добавками 5 % ТіВ2, являє собою твердий розчин бору в AlN, де бор посідає позиції в міжвузлях кристалічної гратки, за рахунок чого об’єм кристалічної гратки зростає. Добавка 5 % ТіВ2 в шихті при температурі спікання 1750 К і тисках 4,2 або 7,7 ГПа ініціює переважне зв’язування бору в твердому розчині на базі кристалічної гратки структурного типу AlB2, тому вміст бору в твердому розчині на базі кристалічної гратки AlN зменшується і відповідно стає меншим об’єм кристалічної гратки AlN.

Переваги композитів при невеликому вмісті ТіВ2 (5%) в шихті полягають в формуванні міцних міжфазних границь (рис. 3). Структура зразків складається з крупних (510 мкм) зерен матричної фази cBN і дрібнозернистої зв’яки, яка утворилася внаслідок кристалізації з розплаву і достатньо однорідно розподілена навколо зерен cBN. Ступені відколу на поверхні зерен сBN у зламі свідчать про внутрішньозеренне руйнування. При подальшому зростанні вмісту ТіВ2 зв’язка, поруч з дрібнозернистими продуктами реакцій в локальних об’ємах , містила вихідні більш крупні зерна ТіВ2, а руйнування проходило вздовж міжфазних границь. Відповідно знижувалася твердість і зростав абразивний знос. На цій підставі зроблено попередній висновок про доцільність обмеження вмісту в шихті 510 % ТіВ2.

Рис. 3. Типові електронні мікрофрактограми зразків, отриманих при р = 7,7 ГПа, Т = 2300 К, вмісті у шихті 5 % TiB2 (a) і 25 % TiB2 (б)

Особливості структури зв’язки і формування міжфазних границь в зразках з шихти cBN% TiB2% Al, отриманих при р=4,2 ГПа, Т=1750 К, в яких методом рентгеноструктурного аналізу були ідентифіковані тверді розчини на базі кристалічних граток ТіВ2 (Tі0.67Al0.33B2) і AlN (Al0.9NB0.42). Методами електронної мікроскопії було виявлено, що при однорідному розподілу зв’язки в об’ємі композиту, в локальних її об’ємах були також відхилення поелементного складу, де реакційна взаємодія відбувалася окремо в системах AlBN, AlTiB і ВNTi. Особливістю всіх фазових складових був нанодисперсний, або близький до нього розмір зерен. Нітрид алюмінію ( 100 нм) (рис. 4); диборид титану (5200 нм) що контактує з зернами сBN через шар нанодисперсної (розміри зерен  30 нм) проміжної фазиборонітриду титану складу Тi68B10N22 (рис. 5); нарешті, монолітні прошарки між зернами сBN, які за морфологічними ознаками утворені на основі рідкої фази (рис. 6).

В структурі композиту зерна сBN сильно деформовані, вони містять тонкі мікродвійники і групи дислокацій (див. рис. 4, а). Високомодульна компонента шихти ТіВ2 сприяла зростанню дотичних напруг при формуванні матриці cBN в процесі спікання і відповідно її деформаційному зміцненню, що підтверджує реальна структура cBN (табл. 3): процес деформаційного зміцнення був більш ефективним зі зростанням вмісту ТіВ2 в шихті до 10% і при високих р,Т-параметрах спікання. 

Рис. 4. Типове зображення на просвіт ділянки мікроструктури композиту зі зв’язуючою фазою  AlN: світле поле (а), темне поле в відбитті 100 нітриду алюмінію (б), МЕГ від всієї ділянки (в)

Рис. 5. Фрагмент мікроструктури зі зв’язкою на основі TiB2, що контактує з зернами сBN через прошарок проміжної фази: світле поле (а), темне поле (б) в відбитті (101TiB2+101Тi68B10N22 ); темне поле (в) в 101Тi68B10N22 і МЕГ від всієї ділянки (г), стрілкою показано сполучення (111сBN+101TiB2+101 Тi68B10N22)

Ефект зміцнення композиту добавками дибориду титану досягали тільки в межах їх вмісту 5%, що знаходиться в кореляції з даними електронної мікрофрактографії (див. рис. 3). При цьому електропровідна фаза (твердий розчин диборидів) кристалізувалася у вигляді дисперсних виділень поруч з такими же виділеннями неелектропровідної фази (нітриду алюмінію).

В даному розділі показано, що добавка 5% ТіВ2 у шихту cBN % Al приводить до одночасної кристалізації з розплаву твердих розчинів Аl–Ті–В і АlN, що забезпечує утворення матричної структури cBN і однорідної рівномірно розподіленої, дрібнодисперсної зв’язки. Така структура забезпечує високу твердість зразків та їх абразивний знос.

Рис. 6. Зображення ділянки мікроструктури (а), що містить шар зв’язки (виділено стрілками), в складі якого алюміній і боронітрид титану, і МЕГ (б) від ділянки, що містить (Аli68B10N22); для алюмінію є характерні відбиття с дифузними ореолами, для боронітридуслабкі відбиття, на основі яких сформована сітка (зазначено стрілками)

Таблиця 3

Реальна структура cBN в залежності від вмісту ТіВ2  в шихті

Умови спікання

% TiB2 в шихті

d/d, 10-3

ОКР, нм

р= 4,2 ГПа; Т=1750 К

0,72

,0

,75

22,7

1,12

21,4

р= 7,7 ГПа; Т=2300 К

0,87

,7

0,72

22,0

0,57

,6

0,41

,6

Далі, для оптимізації складу шихти і р,Т-параметрів спікання композитів системи cBN–Al5 % ТіВ2 проводили дослідження з варіюванням вмісту алюмінію у шихті.

В четвертому розділі викладені особливості складу, структури і властивостей композитів, отриманих в АВТ трьох типорозмірів. 

Для спікання брали шихту з 5 % ТіВ2 при варіантах вмісту алюмінію, 12, 15, 18 і 20 %. Більший вміст Al мав метою забезпечити повну перекристалізацію дибориду титану через розплав. Спікали в КЗ-35 і КЗ-55 під тиском 4,2 ГПа при температурі 1750 К, в тороїдіпід тиском 7,7 ГПа з варіантами температури спікання. Встановлено, що найбільш сприятливі умови для кристалізації з розплаву твердого розчину TixAl1-xB2 еквімолярного складу були при спіканні в АВТ КЗ-55, і найбільше відхилявся він від такого (х>0,5) при спіканні в АВТ тороїд. Але при всіх умовах він в певній мірі наближався до еквімолярного при вмісті в шихті 12 % Al. Це свідчить, що практично повне розчинення 5 % ТіВ2 в розплаві алюмінію найкраще досягалося при концентрації в шихті 15 % Al, коли на етапі просочення під тиском поверхня контакту розплаву з компонентами шихти була максимальною по відношенню до його об’єму. При спіканні шихти cBNAl–ТіВ2 під тиском 7,7 ГПа при температурі 2300 К одночасне зростання вмісту дибориду титану і алюмінію в шихті приводило до зростання періоду кристалічної гратки cBN, при цьому вказані добавки діяли адитивно. Такі результати допускають утворення твердого розчину BNAlTi на базі кристалічної гратки cBN. Тоді ідентифіковані в приграничній зоні зерна cBN нанодисперсних виділень боронітриду титану (див. рис. 5, в) можна вважати наслідком розпаду твердого розчину, що поруч з деформаційним зміцненням cBN створює ефект дисперсійного зміцнення. Значимість такого ефекту дозволяє отримати високу твердість композиту (35 ГПа) після спікання при 7,7 ГПа, 2300 К.

В результаті цих експериментів було визначено, що добавка 10 % Al у шихту cBN% ТіВ2 сприяє деформаційному зміцненню таких композитів, які можна отримувати в більш економічних сталевих АВТКЗ-55»).

В п’ятому розділі представлені результати дослідження властивостей композитів та їх функціональних випробовувань в інструменті на операціях лезової обробки.

Вплив р,Т-умов і тривалості спікання на фізико-механічні властивості дослідних зразків композитів в табл. 4 показано у співставленні з такими властивостями композитів, створених в Україні в ІНМ НАНУ (киборит-2 і киборит-3) і PCBN марки DBA-80 фірми «Element Six».

Співставлення з киборитом-2 і киборитом-3 показує, що композит з диборидом титану поступаючись обом за тріщиностійкістю, значимо перевищує їх за твердістю, що пов’язано з активацією процесів деформаційного зміцнення в композитах з вмістом 5 -10 % ТіВ2. Це знаходиться в кореляції з результатами дослідження реальної структури сBN в зразках (високий вміст ТіВ2 і високі р,Т-параметри спікання). Натомість при вмісті 10 % ТіВ2 спостерігається певна тенденція зниження тріщиностійкості, що знаходиться в кореляції зі зростанням абразивного зносу при алмазному шліфованні. 

Для розробки менш енергоємної технології спікання при високому тиску нових композитів важливим є результати атестації твердості і тріщиностійкості зразків, отриманих при нижчих р,Т-параметрах. Такий композит, отриманий при р=4,2 ГПа, Т=1750 К, за твердістю і тріщиностійкістю перевершує відому марку PCBN фірми «Element Six» –DBA80, тобто може виявитися конкурентоздатним по відношенню до неї. 

Для визначення впливу вмісту ТіВ2 в шихті (10% Al), р,Т-параметрів спікання і типу АВТ на функціональні властивості композитів інструментального призначення були виготовлені ріжучі пластини діаметром 7,0, 7,93 і 9,52 мм. Для випробувань було відібрано 27 пластин, одержаних при двох режимах спікання (7,7 ГПа, 2300 К, АВТ тороїд-20 та 4,2 ГПа, 1750 К, АВТ КЗ-35), з шихти з різним вмістом ТіВ2. Для порівняння випробували ріжучі пластини промислових партій з кибориту-1 і кибориту-2. Пластини випробовували при лезовій обробці загартованої сталі ХВГ (HRC 57-58) та твердого сплаву ВК8. 

Випробування при точінні сталі ХВГ проводили на малому державному підприємстві «Лінатек» (концерн «Алкон») на верстаті 1К62 з безударним навантаженням. Режими різання були наступними: швидкість різання V = 90 м/хв.; подача S = 0,07 мм/об.; глибина різання t = 0,02 мм. За критерій стійкості інструменту при точінні загартованої сталі прийнято величину зносу ріжучої пластини з композиційного матеріалу по задній поверхні hз, мм. Результати випробувань приведені на рис. 7, а.

Таблиця 4

Фізико-механічні властивості експериментальних зразків композитів сBN з добавками тугоплавких сполук

Параметри спікання

Твердість, ГПа

ТріщиностійкістьK1c, МПа∙м1/2

р, ГПа

Т, К

, с

HV0,5

HV5

HKN

Шихта cBN 5%TiB2 10% Al

4,2

2,3

1,4±0,9

32±1

,0,5

7,7

90

-

-

30,4±0,7

-

90

-

-

31,1±0,6

-

Шихта cBN% TiB2 10% Al

7,7

,9

±3

31±1

,4,6

1,3

-

33±1,5

,8,0

3,9

,3±0,4

4±1,5

,6,9

,0

±1

±1,5

,4,8

Киборит-2 (сBN% Al)

4,2

29

27

28

,2

Киборит-3 (сBN%ТіС% Al)

4,2

24

25

,6

DBA-80 (система cBNAl–Ті)

5,9

Рис. 7. Результати випробувань ріжучих пластин композиту cBNAlTiB2 при точінні сталі ХВГ (HRC 57-58), режими різання: v = 90 м/хв; S = 0,070 мм/об., t = 0,02 мм (а) та твердого сплаву ВК8, режими різання: v = 15 м/хв; S = 0,1 мм/об.; t = 0,1 мм (б)

Експрес-випробування при обробці твердого сплаву ВК8 проводили в відділі18 ІНМ ім. В.М. Бакуля на токарно-гвинторізному станку ФТ11 при швидкості різання V=15 м/хв; подачі S = 0,1 мм/об; глибині різання t = 0,1 мм. Критерієм стійкості була інтенсивність зносу інструменту по задній поверхні, тривалість різання не перевищувала 5,5 хвилин. Результати випробувань приведені на рис. 7, б.

Проведені випробування засвідчили, що в умовах тонкого точіння загартованої сталі ХВГ на високій швидкості різання новий композит показав кращі результати, ніж киборит-2 і киборит-1, при цьому найменший знос був у пластин, отриманих з шихти, що містила 5 % мас. ТіВ2. Випробовування пластин при різанні сплаву ВК8 показало, що зносостійкість нового композиту, отриманого з шихти, що містила 5 % мас., вища, ніж кибориту-2, і знаходиться на рівні зносостійкості кибориту-1. Обидва результати випробовування поширюються на пластини, отримані в стальному АВТ при параметрах спікання 4,2 ГПа, 1750 К. 

В умовах підприємства «Алкон-Кристал» була випущена дослідно-промислова партія нового надтвердого композиту з шихти складу cBN-10% Al- 5% TiB2. Спікання виконували в АВТ КЗ-35 на пресовій установці ДО-043 при параметрах р=4,2 ГПа, Т=1750 К. З одержаних заготовок шляхом механічної обробки були виготовлені різальні пластини діаметром 9,52 і висотою 3,2 мм.

Комплексне дослідження по визначенню сил різання, шорсткості поверхні, вібростійкості і працездатності на операціях тонкого точіння показало, що серед представлених на дослідження пластин композитів cBN, виготовлених з шихти, де варіювали вміст TiB2 (0 % мас.) та Al (10% мас.) в шихті та р,Т-умови спікання, найвищі рейтингові бали за зносостійкостю і вібростійкістю отримав композит з шихти cBN% Al% TiB2; режими його спікання в АВТ «тороїд» (7,7 ГПа, 2300 К) або в АВТ КЗ-35 (4,2 ГПа, 1750 К) практично не впливали на результати випробовування. 

Висновки та результати роботи

В результаті виконаних досліджень вирішена актуальна науково-технічна задача створення надтвердого композиту на основі кубічного нітриду бору, зміцненого диборидами титану та алюмінію, що досягається при реакційному спіканні в умовах високого тиску шихти cBN10 % Al5 % TiB2, і забезпечується утворенням структури з деформаційно зміцненою неперервною фазою cBN і високодисперсною зв’язкою з підвищеними модулями пружності, яку складають продукти реакційної взаємодії з розміром зерен в нанодіапазоні. 

1. В широкій області р,Т-параметрів, що охоплює області стабільності боридів алюмінію різного складу, добавка дибориду титану в шихті cBNAl ініціює утворення твердого розчину диборидів титану і алюмінію, при цьому його кристалізація з розплаву відбувається одночасно з нітридом алюмінію, що сприяє зниженню температури і/або тривалості спікання та утворенню високодисперсної зв’язки з однорідним розподілом її фазових складових.

2. Уточнення правильних позицій атомів в кристалічній гратці твердого розчину AlВ2TiB2 методом рентгеноструктурного аналізу показало, що на відміну від кожного з диборидів TiB2 і AlВ2, кристалічні гратки яких містили 3 і 10 % вакансій в правильних позиціях Ti і Al, в твердому розчині       ТіхAl1хB2, отриманому при високому тиску, позиції металів заповнені, атоми титану і алюмінію розміщені статистично, а атомні частки Ті і Al можна змінювати вибором р,Т-параметрів спікання і типу АВТ, та співвідношенням площі контактів cBNAl і TiB2Al в шихті після її просочення під тиском.

3. Встановлено, що в залежності від р,Т-параметрів спікання та співвідношення компонентів шихти переваги набуває один з двох механізмів кристалізації з розплаву твердого розчину диборидів, а саме, утворення в розплаві тримірних зародків фази ТіхAl1хB2, або епітаксіальний ріст фази ТіхAl1хB2 на кристалах ТіВ2. 

4. Дослідження структури композитів з шихти cBN10 % Al5 % TiB2 методом електронної мікроскопії виявило, що основні продукти реакційнанодисперсний (розмір зерен  100 нм) нітрид алюмінію та суб- і нанодисперсний (діапазон розмірів 5нм) диборид титану (Tі0.67Al0.33B2), який контактує з зернами  сBN через шар нанодисперсної (розміри зерен  30 нм) проміжної фази, ідентифікованої методом електронної мікродифракції як боронітрид титану складу Тi68B10N22. 

5. Характер розподілу зв’язки в об’ємі композиту системи сBN–Al–TiB2 і структура його зломів змінювалися при зростанні вмісту TiB2 в шихті: від рівномірно розподіленої на границях з cBN гомогенної суміші продуктів реакцій з дрібнодисперсною структурою і внутрішньозеренному руйнуванні сBN, до неоднорідного розподілу і нестабільного складу зв’язки в об’ємі композиту з переважним руйнуванням між зернами TiB2 в зв’язці.

6. Комплексне дослідження методами рентгеноструктурного аналізу, електронної мікроскопії та вимірюванням твердості встановило, що добавка 5% ТіВ2 в шихті сBN% Al сприяла деформаційному зміцненню сBN, що пояснюється зростанням дотичних напруг на міжфазних границях cBNзв’язка, коли в складі останньої є значна частка високомодульної фази ТіВ2.

7. Співставлення фізико-механічних властивостей експериментальних зразків композиту, отриманих з шихти cBN% Al% TiB2, і інших PCBN показує, що композит з диборидом титану перевищує киборит-2 за твердістю, поступаючись йому за тріщиностійкістю, при цьому за двома характеристиками (HKN=34ГПа, К1С= 6,5 МПа∙м1/2) є конкурентноздатним по відношенню до відомої марки PCBN фірми «Element Six» –DBA80. 

8. Дослідно-промислова партія нового композиту була отримана в умовах підприємстваАлкон-Кристал, випробування різальних пластин на режимах, близьких до тонкого точіння сталі ХВГ (HRC 58-60), виконувалось на підприємствіЛінатекі показало перевагу (менший знос) нового надтвердого композиту над ріжучими пластинами кибориту-1 і кибориту-2. 


Основні результати роботи висвітлено у наступних публікаціях:

1. Спікання при високому тиску порошків сBN з добавками ТіВ2 і Al та властивості одержаних полікристалів / Т. О. Гарбуз, Н. П. Беженар, С. А. Божко, Н. Н. Белявина // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструменттехника и технология его изготовления и применения: сборник научных трудов.Вып. 9.Киев: ИСМ им. В.Н.Бакуля, 2006.С.271. Автором встановлено, що добавки до 10 % TiB2 у шихту для cBN–Al сприяють кристалізації з розплаву нижчого бориду алюмінію (AlB2), що запобігає накопиченню бору в розплаві алюмінію і прискорює хімічну взаємодію. В таких зразках густина становила 0,98,99, а твердість 30-35 ГПа.

2. Physikomechanical and physicochemical interaction at sintering cBN-TiВ2 composites under ultrahigh pressure / T. O. Garbuz, M. P. Bezhenar, S. A. Bozhko, N. M. Bilyavina // Functional materials..V. 14, n.1.P.130. Виконані автором розрахунки показали, що значення залишкових термічних напруг після спікання при 8 ГПа і 2300 К в фазах cBN і ТіВ2 значно нижчі, ніж міцність фаз на згин, що забезпечує відсутність технологічних ускладнень при спіканні і механічній обробці зразків.

3. Спекание при высоких давлениях порошков cBN с добавками тугоплавких соединений / Н. П. Беженар, С. А. Божко, Т. А. Гарбуз, Е. В. Криштова, Н. Н. Белявина // Физика и техника высоких давлений..Том 17. –№ 2.С.86. Автором було встановлено, що добавки тугоплавких сполукТіВ2 і ZrNвпливають на кінетику спіканнясприяють утворенню AlB2 і ZrB2 відповідно та, по результатам твердості та абразивного зносу, визначено оптимальний вміст сполук(ТіВ2, ZrN) ––%.

4. Спікання при високому тиску порошків тугоплавких сполук титану і цирконію / С. М. Коновал, Т. О. Гарбуз, О. В. Кріштова, М. П. Беженар, С. А. Божко, Н. М. Білявина // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструменттехника и технология его изготовления и применения: сборник научных трудовВып. 10.Киев: ИСМ им. В.Н.Бакуля, 2007.С.202. Автор показав, що процес спікання в АВТ полікристалів тугоплавких сполук TiB2, TiC, TiN, ZrN супроводжується реакціями між компонентами шихти і адсорбованим киснем з утворенням твердих розчинів на базі кристалічних ґраток тугоплавких сполук, що веде до значного зниження твердості полікристалів.

5. Гарбуз Т. О. Електроопір надтвердих композитів, одержаних спіканням пи високих тисках порошків сBN з добавками Al та TiB2 / Т. О. Гарбуз // Еврика-2007: міжнар. конф. студентів і молодих науковців, 22-24 травня 2007 р.: тези доп. Львів, 2007.С. D24.

6. Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN–TiC–Al / Н. П. Беженар, С. А. Божко, Т. А. Гарбуз, Н. Н. Белявина, В. Я. Маркив // Сверхтвердые материалы.. –№ 5.С. 40. Автор встановив, що в продуктах реакційної взаємодії при високому тиску (р = 4,2 ГПа, Т = 1750 К) компонентів шихти cBN% Al% TiC, поряд з нітридом алюмінію AlN утворюється диборид, який є твердим розчином на основі дибориду титану (алюмінію).

7. Особенности кристаллической структуры диборида титана, образующегося в сверхтвердых композитах системы cBNAlTiB2 / Н. П. Беженар, С. А. Божко, Т. A. Гарбуз, Н. Н. Белявина, В. Я. Маркив // Сверхтвердые материалы, 2008. –№ 3.С. 92. Автор показав механізм утворення взаємних твердих розчинів TixAl1-xB2, при реакційному спіканні шихти (cBN + 10% Al) - TiB2 в умовах високих тисків та температур.

8. Композит кубічного нітриду бору, модифікований диборидом титану / Т. О. Гарбуз, М. П. Беженар, С. А. Божко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструменттехника и технология его изготовления и применения: сборник научных трудовВып. 11.Киев: ИСМ им. В.Н.Бакуля, 2008.С. 202. Автором встановлено, що в результаті заміни в шихті 5-10 % cBN диборидом титану отримується структура з високою міцністю міжфазних границь і підвищеною стійкістю до зносу при роботі в різальному інструменті.

9. Гарбуз Т. О. Вплив дибориду титану на структуроутворення композитів системи cBNAlTiB2 // Надтверді композиційні матеріали та покриття: отримання, властивості, застосування: всеукр. конф. молодих вчених та спеціалістів, 15-16 жовтня 2008 р.: тези доп. – К., 2008.С. 7.

10. Фазовый состав и структура композитов cBN–TiB2Al, полученных спеканием при высоком давлении / Н. П. Беженар, С. А. Божко, Т. А. Гарбуз, Н. Н. Белявина, В. Я. Маркив, Г. С. Олейник // Физика и техника высоких давлений..Том 19. –№ 1.С.102. Методами рентгеноструктурного аналізу та електронної мікроскопії автор показав, що структура композитів системи cBN5 % TiB210 % Al складається із крупних (5мкм) зерен матричної фази cBN і дрібнозернистої зв’язки, яка досить однорідно розподілена навкруги зерен cBN і являє собою продукти реакційної взаємодії в даній системі.

11. Композити кубічного нітриду бору, зміцнені тугоплавкими боридами / М. П. Беженар, С. А. Божко, Т. О. Гарбуз, С. М. Коновал // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструменттехника и технология его изготовления и применения: сборник научных трудовВып. 12.Киев: ИСМ им. В.Н.Бакуля, 2009.С.223234. Автором було встановлено, що при спіканні в умовах високого тиску зміцнення композитів кубічного нітриду бору з добавками алюмінію та тугоплавких боридів досягається створенням навколо неперервного каркасу cBN високодисперсної однорідної на мезорівні зв’язки з підвищеними модулями пружності, яку складають продукти реакційної взаємодії з розміром зерен в нанодіапазоні.

12. Фізико-механічні характеристики композитів cBN, що містять дибориди алюмінію, титану і цирконію / Т. О. Гарбуз, М. П. Беженар, С. А. Божко, М. Г. Лошак, Л. І. Александрова, М. І. Заїка // Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов. Киев: ИСМ НАН Украины, 2010.С. 35. В результаті співставлення експериментальних зразків композиту системи cBN–Al–TiB2 з киборитом-2 і киборитом-3 автор показав, що композит з диборидом титану поступається обом за тріщиностійкістю, значимо перевищує твердість кибориту-3 і має резерв для перевищення твердості кибориту-2. 

АНОТАЦІЯ

ГАрбуз Т. О. Закономірності формування структури і властивостей надтвердих композитів в системі кубічний нітрид борудиборид титануалюміній в умовах високого тиску.Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01матеріалознавство. Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М.Бакуля НАН України, Київ, 2010.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі –створення надтвердого композиту на основі кубічного нітриду бору, зміцненого диборидами титану та алюмінію. Визначені основні закономірності фізико-хімічної взаємодії при спіканні в умовах високого тиску порошкових сумішей cBNAlTiB2, формування фазового складу, структури, фізико-механічних властивостей. Показано, що високомодульний TiB2 в шихті відіграє роль легуючої, модифікуючої і активуючої добавки при реакційному спіканні. Ефект зміцнення композиту досягається створенням навколо неперервного каркасу cBN високодисперсної однорідної зв’язки з підвищеними модулями пружності, яку складають продукти реакційної взаємодіїAlN і твердий розчин TixAl1-xB2 з розмірами зерен в нанодіапазоні. Гомогенний розподіл складових зв’язки досягається їх одночасною кристалізацією з розплаву, що ініціює вихідний ТіВ2, створюючи в розплаві алюмінію додаткові центри кристалізації. Добавка 50 % ТіВ2 в шихті сBN % Al посилювала деформаційне зміцнення сBN і забезпечувала його руйнування внутрізеренним механізмом.

Результати атестації твердості і тріщиностійкості надтвердого композиту системи cBNAlТіВ2 свідчать про його конкурентноздатність по відношенню до матеріалу фірми «Element Six» –DBA80.

Ключові слова: структура, властивості, надтвердий композит, кубічний нітрид бору, диборид титану, алюміній, високий тиск, твердий розчин, нанодисперсна фаза.

АННОТАЦИЯ

Гарбуз т. А. Закономерности формирования структуры и свойств сверхтвердых композитов в системе кубический нитрид борадиборид титанаалюминий в условиях высокого давления.Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01материаловедение. Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачисозданию сверхтвердого композита на основе кубического нитрида бора, упрочненного диборидами титана и алюминия. Это достигается реакционным спеканием при высоких давлениях шихты cBN% Al5 % TiB2, в результате которого образуются продукты реакциинитрид алюминия и твердые растворы замещения в системе TiB2AlB2. При этом формируется структура с деформационно упрочненной матрицей cBN и дисперсной высокомодульной связкой, состоящей из продуктов реакционного взаимодействия с размером зерен в нанодиапазоне.

Определены основные закономерности физико-химического взаимодействия при спекании в условиях высокого давления порошковых смесей cBN–Al–TiB2, изучено формирование фазового состава, структуры, физико-механических свойств. Закономерности физико-химического взаимодействия состоят в том, что добавка диборида титана активирует спекание, то есть снижает температуру и ускоряет реакционное взаимодействие, сдвигая его в сторону образования диборида вместо высших боридов алюминия, способствует образованию твердых растворов в системе AlВ2TiB2, а также модифицирует структуру за счет одновременной кристаллизации из расплава продуктов реакции, вследствие чего формируется мелкодисперсная связка с гомогенным распределением фазовых составляющих.

Исследование твердых растворов AlВ2TiB2 методом рентгеноструктурного анализа с уточнением позиций атомов в кристаллической решетке показало, что в отличие от отдельных диборидов, имеющих вакансии в правильных позициях Al и Ti, в твердых растворах TixAl1-xB2 позиции металлов заполнены, атомы Al и Ti размещены статистически, а их доли можно изменять выбором р,Т-параметров спекания и соотношением площади контактов cBN–Al и TiB2Al, в том числе, изменением количественного состава шихты.

Исследования методом электронной микроскопии с микродифракцией показали, что при содержании в шихте 10 % Al и 5% ТіВ2 достигается равномерное распределение связки в объеме композита и характерным для основных ее составляющихAlN и твердого раствора TixAl1-xB2, а также локальных выделений боронитрида титана Ti68B10N22 на межфазных границах, является размер их зерен в нанодиапазоне. Образование в контакте с матричной фазой cBN высокодисперсной связки с повышенными значениями модуля упругости усиливало эффект деформационного упрочнения сBN, что подтверждалось рентгеноструктурным и электронно-микроскопическим исследованиями реальной структуры сBN, и в целом приводило к повышению твердости композитов. При этом сохранялся внутризеренный (cBN–cBN) тип разрушения, что свидетельствовало о высокой прочности межфазных границ. 

Результаты аттестации твердости и трещиностойкости сверхтвердого композита системы cBN–Al–ТіВ2 (HKN=34ГПа, К=6,5 МПам1/2) свидетельствуют о его конкурентоспособности по отношению к материалу фирмы «Element Six» –DBA80. 

На предприятии «Алкон-Кристалл» выпущена опытно-промышленная партия нового композита и изготовлены режущие пластины. Их испытание на предприятии «Линатек» при резании стали ХВГ (HRC 58-60) показало, что на режимах, приближенных к тонкому точению, пластины из композита сBN, упрочненного диборидом титана, имеют преимущество (меньший износ) в сравнении с известными режущими пластинами системы сBN-Al киборит-1 и киборит-2. 

Ключевые слова: структура, свойства, сверхтвердый композит, кубический нитрид бора, диборид титана, алюминий, высокое давление, твердый раствор, нанодисперсная фаза.

ABSTRACT

Garbuz t. a. The regularities of forming structure and properties of superhard composites in system: cubic nitride of borontitanium diboridealuminum at high pressure conditions. —Manuscript.

The dissertation for scientific degree of Candidate of Science (Engineering) in specialty 05.02.01Material Science. V. N. Bakul Institute for Superhard Materials of the National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2010.

The dissertation is devoted the solution of an actual scientific and technical problemcreations of a , cubic nitride of boron composite strengthened titanium and aluminium diborides. The fundamental regularities of physical and chemical interacting are defined at sintering in high pressure of mixture cBN–Al–TiB2, formation of phase composition, structure, physicomechanical properties is studied. It is shown, that TiB2 (with high coefficient of elasticity) in a mixture is played by a role of the alloying, modificating and activating additive at reactionary sintering. The strengthening effect of a composite is attained by formation a homogeneous highdispersed binding with the high coefficient of elasticity: solid solutions on the basis of crystal lattices titanium diboride (TixAl1-xB2) and AlN with nanosize. Homogeneous distribution of binding components is attained by their simultaneous crystallization from melt that initiates initial ТіВ2, forming in aluminium melt additional crystallization centers. Such composite is fractured on intragranular mechanism. The additive of 5% ТіВ2 in a mixture cBN% Al promoted a deformation strengthening сBN.

The new composite of system cBN–Al–ТіВ2 on hardness and fracture toughness is competitive in relation to a firm material «Element Six» –DBA80.

Keywords: structure, properties, superhard composite, cubic nitride of boron, titanium diboride, aluminium, high pressure, solid solution, nanodispersed phase.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9947. Основные понятия микроэлектроники. Основы цифровых и аналоговых интегральных схем. Операционные усилители. Схемы включения операционных усилителе 143.5 KB
  Основные понятия микроэлектроники. Основы цифровых и аналоговых интегральных схем. Операционные усилители. Схемы включения операционных усилителей. Занятие 1. Основные понятия микроэлектроники Учебные, методические и воспитательные цели: 1. Изучить ...
9948. Операционные усилители 211 KB
  Операционные усилители Учебные, методические и воспитательные цели: 1. Изучить основы построения дифференциальных усилителей, структурную схему, характеристики и параметры операционных усилителей. 2. Прививать мет...
9949. Большие интегральные схемы 147 KB
  Большие интегральные схемы Учебные, методические и воспитательные цели: 1. Изучить проблемы повышения степени интеграции, базовые матричные кристаллы. 2. Совершенствовать умение выделять главное для качестве...
9950. Территориальная организация местного самоуправления 67 KB
  Территориальная организация местного самоуправления. Понятие и виды муниципальных образований в РФ. Критерии создания муниципальных образований. Изменения границ муниципальных образований. Понятие и виды муниципальных образований в...
9951. Банкротство. О несостоятельности (банкротстве) 39 KB
  Банкротство. ФЗ О несостоятельности (банкротстве) 2002 года. 2/3 этого закона нам сейчас не потребуется, даже больше, наверное У нас задача - освоить специфику терминологии, понять, что и как В общем, извлечь материальное из по большей части ...