Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів

Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів

Досліджено процеси формування керамо-матричних матеріалів у системі cBN(Al)—SiB₄—WC за умов високих тисків (7,7 ГПа) в температурному інтервалі 1600—2300 °C. Показано, що для вибраної нами композиції (BL-група) 60 об. % cBN, 5 об. % Al, 25 об. % SiB₄ та 10 об. %. WC в усьому температурному інтерва...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2019
Hauptverfasser: Стратійчук, Д.А., Туркевич, В.З., Бушля, В.М., Штоль, Я.-Е., Білявина, Н.М.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2019
Schriftenreihe:Доповіді НАН України
Schlagworte:
Матеріалознавство
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160131
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля, Я.-Е. Штоль, Н.М. Білявина // Доповіді Національної академії наук України. — 2019. — № 8. — С. 52-58. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-160131
record_format dspace
spelling irk-123456789-1601312019-10-25T01:26:13Z Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів Стратійчук, Д.А. Туркевич, В.З. Бушля, В.М. Штоль, Я.-Е. Білявина, Н.М. Матеріалознавство Досліджено процеси формування керамо-матричних матеріалів у системі cBN(Al)—SiB₄—WC за умов високих тисків (7,7 ГПа) в температурному інтервалі 1600—2300 °C. Показано, що для вибраної нами композиції (BL-група) 60 об. % cBN, 5 об. % Al, 25 об. % SiB₄ та 10 об. %. WC в усьому температурному інтервалі формуються практично безпористі надтверді матеріали із твердістю не менше 33 ГПа та модулем Юнга 613 ГПа, що обумовлено формуванням високоміцної керамічної матриці як в результаті рідкофазного спікання за участі як алюмінію так і активної хімічної взаємодії тетраборида кремнію з WС. Експериментально показано, що процеси консолідації мікропорошків доцільніше проводити при температурах не менше 1800 °C, а нагрів системи вище 2200 °C призводить до часткової графітизації сBN та активує процеси збиральної рекристалізації в цілому. За даними XRD-аналізу встановлено, що внаслідок термічного розкладу тетрабориду кремнію та подальшої хімічної взаємодії із WС утворюються нові сполуки W₂B₅ та WSi₂, а вихідний алюміній окиснюється до α-Al₂O₃ позбавляючи систему від надлишків кисню. Всі нові сполуки утворені в процесі реакційного спікання представлені мікрокристалічними формами із розміром не більше 1—3 мкм, які розташовані в міжзеренному просторі основної матриці, що сприяє додатковому збільшенню твердості та тріщиностійкості. Одержані надтверді керамічні пластини можуть використовуватися при точінні загартованих (до 60 HRC) та високолегованих (в тому числі інконелеєвих сталей) за умов високих температур в області різання. The processes of formation of ceramic-matrix materials in the cBN(Al)SiB 4WC system under high pressure conditions (7.7 GPa) in the temperature range of 16002300 °C are studied. It is shown that, for the composition chosen by us (BL group), 60 % vol. cBN, 5 % vol. Al, 25 % vol. SiB₄ and 10 % vol. WC, nonporous superhard materials are virtually formed in the entire temperature range with hardness of no less than 33 GPa and Young’s modulus of 613 GPa, which is attributable to the formation of a highstrength ceramic matrix both as a result of the liquidphase sintering using aluminium and of an active chemical interaction of silicon tetraboride with WC. It is demonstrated by experiments that the micropowder consolidation process should be carried out at temperatures of no less than 1800 °C. The heating of the system above 2200 °C leads to the excessive cBN graphitization and accumulative recrystallization in general. According to the XRD analysis, it was established that, as a result of the thermal decomposition of silicon tetraboride and further chemical reaction with WC, new compounds are formed: W₂B₅ and WSi₂, and the original aluminum is oxidized to α-Al₂O₃, thereby relieving the system of excess oxygen. All new compounds formed in the course of producing the ceramics are represented by microcrystalline forms, not exceeding 1—3 μm in size, that are arranged in the intergranular space of the core matrix, which contributes to an additional increase in hardness and fracture resistance. The obtained superhard ceramic plates can be used for turning tempered (up to 60 HRC) and highalloyed (including inconel) steel at rising temperatures in the cutting area. Изучены процессы формирования керамо-матричных материалов в системе cBN(Al)—SiB₄—WC в условиях высоких давлений (7,7 ГПа) в температурном интервале 1600—2300 °С. Показано, что для выбранной нами композиции (BL группа) 60 об. % cBN, 5 об. % Al, 25 об. % SiB4 и 10 об. % WC во всём температурном интервале формируются практически безпористые сверхтвёрдые материалы с твёрдостью не менее 33 ГПа и модулем Юнга 613 ГПа, что обусловлено формированием высокопрочной керамической матрицы как в результате жидкофазного спекания с участием алюминия так и активного химического взаимодействия тетраборида кремния с WС. Экспериментально показано, что процессы консолидации микропорошков целесообразно проводить при температурах не менее 1800 °C, а использование нагрева системы выше 2200 °C приводит к излишней графитизации сBN и собирательной рекристаллизации в целом. По данным XRD анализа установлено, что в результате термического разложения тетраборида кремния и дальнейшей химической реакции с WС образуются новые соединения W₂B₅ и WSi₂, а исходный алюминий окисляется до α-Al₂O₃ избавляя тем самым систему от избытка кислорода. Все новые соединения образованные в процессе получения керамики, представлены микрокристаллитными формами размером не более 1—3 мкм, которые расположены в межзёренном пространстве основной матрицы, что способствует дополнительному увеличению твёрдости и трещиностойкости. Полученные сверхтвёрдые керамические пластины могут использоваться при точении закалённых (до 60 HRC) и высоколегированных (в том числе инконелеевых сталей) в условиях развития повышенных температур в области резания. 2019 Article Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля, Я.-Е. Штоль, Н.М. Білявина // Доповіді Національної академії наук України. — 2019. — № 8. — С. 52-58. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 1025-6415 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2019.08.052 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160131 539.89 uk Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
topic Матеріалознавство
Матеріалознавство
spellingShingle Матеріалознавство
Матеріалознавство
Стратійчук, Д.А.
Туркевич, В.З.
Бушля, В.М.
Штоль, Я.-Е.
Білявина, Н.М.
Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів
Доповіді НАН України
description Досліджено процеси формування керамо-матричних матеріалів у системі cBN(Al)—SiB₄—WC за умов високих тисків (7,7 ГПа) в температурному інтервалі 1600—2300 °C. Показано, що для вибраної нами композиції (BL-група) 60 об. % cBN, 5 об. % Al, 25 об. % SiB₄ та 10 об. %. WC в усьому температурному інтервалі формуються практично безпористі надтверді матеріали із твердістю не менше 33 ГПа та модулем Юнга 613 ГПа, що обумовлено формуванням високоміцної керамічної матриці як в результаті рідкофазного спікання за участі як алюмінію так і активної хімічної взаємодії тетраборида кремнію з WС. Експериментально показано, що процеси консолідації мікропорошків доцільніше проводити при температурах не менше 1800 °C, а нагрів системи вище 2200 °C призводить до часткової графітизації сBN та активує процеси збиральної рекристалізації в цілому. За даними XRD-аналізу встановлено, що внаслідок термічного розкладу тетрабориду кремнію та подальшої хімічної взаємодії із WС утворюються нові сполуки W₂B₅ та WSi₂, а вихідний алюміній окиснюється до α-Al₂O₃ позбавляючи систему від надлишків кисню. Всі нові сполуки утворені в процесі реакційного спікання представлені мікрокристалічними формами із розміром не більше 1—3 мкм, які розташовані в міжзеренному просторі основної матриці, що сприяє додатковому збільшенню твердості та тріщиностійкості. Одержані надтверді керамічні пластини можуть використовуватися при точінні загартованих (до 60 HRC) та високолегованих (в тому числі інконелеєвих сталей) за умов високих температур в області різання.
format Article
author Стратійчук, Д.А.
Туркевич, В.З.
Бушля, В.М.
Штоль, Я.-Е.
Білявина, Н.М.
author_facet Стратійчук, Д.А.
Туркевич, В.З.
Бушля, В.М.
Штоль, Я.-Е.
Білявина, Н.М.
author_sort Стратійчук, Д.А.
title Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів
title_short Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів
title_full Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів
title_fullStr Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів
title_full_unstemmed Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів
title_sort отримання надтвердих композитів групи bl в системі cbn(al)—sib₄—wc в умовах високих р,т-параметрів
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2019
topic_facet Матеріалознавство
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160131
citation_txt Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля, Я.-Е. Штоль, Н.М. Білявина // Доповіді Національної академії наук України. — 2019. — № 8. — С. 52-58. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.
series Доповіді НАН України
work_keys_str_mv AT stratíjčukda otrimannânadtverdihkompozitívgrupiblvsistemícbnalsib4wcvumovahvisokihrtparametrív
AT turkevičvz otrimannânadtverdihkompozitívgrupiblvsistemícbnalsib4wcvumovahvisokihrtparametrív
AT bušlâvm otrimannânadtverdihkompozitívgrupiblvsistemícbnalsib4wcvumovahvisokihrtparametrív
AT štolʹâe otrimannânadtverdihkompozitívgrupiblvsistemícbnalsib4wcvumovahvisokihrtparametrív
AT bílâvinanm otrimannânadtverdihkompozitívgrupiblvsistemícbnalsib4wcvumovahvisokihrtparametrív
first_indexed 2025-07-14T12:45:26Z
last_indexed 2025-07-14T12:45:26Z
_version_ 1837626427652964352
fulltext 52 ОПОВІДІ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ Кубічний нітрид бору (cBN) вже тривалий час використовується як основа надтвердих композиційних матеріалів інструментального призначення [1, 2]. Одною із головних його переваг є висока твердість (до 60 ГПа), а також, в порівнянні із алмазними композитами, значна хімічна інертність по відношенню до компонентів багатьох марок сталей, що робить його цінним різальним матеріалом [3]. Спікання композитів на основі cBN зазвичай про­ водять в умовах високих тисків 4—8 ГПа та температур 1400—2200 °С із активуючими до­ © Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля, Я.­Е. Штоль, Н.М. Білявина, 2019 ISSN 1025­6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2019. № 8: 52—58 https://doi.org/10.15407/dopovidi2019.08.052 УДК 539.89 Д.А. Стратійчук 1, В.З. Туркевич 1, В.М. Бушля 2, Я.­Е. Штоль 2, Н.М. Білявина 3 1 Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ 2 Лундський університет, Швеція 3 Київський національний університет ім. Тараса Шевченка E­mail: d_strat@ukr.net Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB4—WC в умовах високих р,T­параметрів Представлено академіком НАН України В.З. Туркевичем Досліджено процеси формування керамо­матричних матеріалів у системі cBN(Al)—SiB4—WC за умов ви соких тисків (7,7 ГПа) в температурному інтервалі 1600—2300 °C. Показано, що для вибраної нами композиції (BL­група) 60 об. % cBN, 5 об. % Al, 25 об. % SiB4 та 10 об. %. WC в усьому температурно­ му інтервалі формуються практично безпористі надтверді матеріали із твердістю не менше 33 ГПа та модулем Юнга 613 ГПа, що обумовлено формуванням високоміцної керамічної матриці як в результаті рідкофазного спікання за участі як алюмінію так і активної хімічної взаємодії тетраборида кремнію з WС. Експериментально показано, що процеси консолідації мікропорошків доцільніше проводити при температу­ рах не менше 1800 °C, а нагрів системи вище 2200 °C призводить до часткової графітизації сBN та активує процеси збиральної рекристалізації в цілому. За даними XRD­ аналізу встановлено, що внаслідок термічного розкладу тетрабориду кремнію та подальшої хімічної взаємодії із WС утворюються нові сполуки W2B5 та WSi2, а вихідний алюміній окиснюється до α­Al2O3 позбавляючи систему від надлишків кисню. Всі нові спо луки утворені в процесі реакційного спікання представлені мікрокристалічними формами із розміром не більше 1—3 мкм, які розташовані в міжзеренному просторі основної матриці, що сприяє додатковому збільшенню твердості та тріщиностійкості. Одержані надтверді керамічні пластини можуть викорис­ товуватися при точінні загартованих (до 60 HRC) та високолегованих (в тому числі інконелеєвих сталей) за умов високих температур в області різання. Ключові слова: високі тиски, cBN, надтверді матеріали, бориди кремнію, ріжуча кераміка. МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО 53ISSN 1025­6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2019. № 8 Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB4—WC в умовах високих р,T­параметрів бавками [4]. Із успішно отриманих комерційно доступних надтвердих cBN­матеріалів слід відзначити композити із систем: cBN—Al, cBN—TiC (TiCN), cBN—Si3N4 [5—8]. Одним з головних чинників, які впливають на довговічність cBN­вмісних інструментів, є хімічний знос ріжучої кромки, який посилюється під час високошвидкісної обробки. Так відомо, що в контактній зоні інструмент—оброблюваний матеріал розвиваються температури до 1000—1100 °C, які активують хімічні процеси, знижують міцність матеріалу заготовки і тим самим збільшують його пластичність [9]. Одним із шляхів вирішення проблеми хімічного зносу cBN­вмісних інструментів є часткова заміна кубічного нітриду бору на більш інертні (по відношенню до оброблювальних сталей) компоненти. Серед найбільш перспективних є тугоплавкі карбіди, бориди і нітриди p­ та d­елементів. Так, у випадку використання різаль­ ного інструменту на основі cBN найкращу зносостійкість та тривалість служби в умовах високошвидкісного точіння Inconel 718 демонструють зразки із вмістом cBN від 45 до 60 % (група BL ) з керамічними зв’язками Ti (C,N) або ТiN [10]. Лабораторні випробування по­ казали, що підвищення вмісту cBN в ріжучих пластинах від 65 до � 80 % та використання чистих металів (Ti, Al) в якості зв’язки призводить до зниження терміну служби інструмен­ ту з 9,6 до 2 хв в середньому [11]. В той же час використання термостійких боридів та карбі­ дів [12] як складової керамо­матричних матеріалів є досить привабливим для створення ріжучого інструменту підвищеної зносостійкості, особливо в умовах високошвидкісного то­ чіння легованих сталей. В даній роботі розглядаються процеси формування та властивості надтвердих компози­ ційних матеріалів групи BL із вмістом cBN 60 об. %, отриманих в системі cBN(Al)—SiB4— WC в умовах високих тисків та температур. Експерименти проведено на пресовій установці марки ДО 044 в апараті високого тиску типу “тороїд­30” на діючому обладнанні в ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України. В якості ви­ хідних компонентів використано мікропорошки нітриду бору cBN (виробництва Element Six з розміром частинок 1—10 мкм) і бориду кремнію SiB4 (виробництва ABCR), пудра алю­ мінію Al (виробництва ABCR) та порошок WC із розміром зерен 1—5 мкм. Вихідний борид кремнію було подрібнено з використанням планетарного млина Fritsch (Pulverisette 6 classic line) до середнього розміру частинок 1,8 мкм. Кульки та стакани планетарного млина було виготовлено із твердого сплаву ВК15 (WC—Co). Методом мокрого змішування в середовищі ізопропилового спирту готувалася гомогенна шихта cBN:Al, в яку вводили мікропорошки SiB4 та WC із подальшою гомогенізацією всієї суміші протягом 3 год. Співвідношення компонен­ тів cBN:Al:SiB4 : WC було 60 : 5 : 25 : 10 об. % відповідно. Без по серед ньо перед спіканням порошкова шихта піддавалася відпалу у ва­ ку умі (р — 10–3 мм.рт.ст.) для видалення за­ лишків органічного розчинника, води та адсорбованого кисню повітря. Попередньо Рис. 1. Спрощена схема комірки високого тиску. а: 1 — торцеві токопідводи; 2 — диск із пірофіліту; 3 — контейнер із травертину; 4 — графітовий на­ грівник; Мо­молібденові диски; б: загальний ви­ гляд отриманої керамічної пластини 54 ISSN 1025­6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2019. № 8 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля, Я.­Е. Штоль, Н.М. Білявина скомпактована до пористості 30 % в стальних прес­формах заготовку розмі щували в труб­ чатому графітовому нагрів нику в центральній частині комірки високого тиску (рис. 1, а). Після створення високого тиску (7,7 ГПа) шляхом пропускання електричного струму через графітовий нагрівник протягом 1 хв проведено спікання композиційного матеріалу в температурному інтервалі 1600—2300 °C. В результаті були одержані керамічні пластини правильної геометричної форми, які в подальшому піддавалися шліфуванню алмазними кругами по опорних і боковій поверхнях для досягнення типорозмірів d = 9,52 мм, h = 3,18 мм (рис. 1, б) відповідно до стандарту ISO 1832—2017 на різальні пластини — RNGN 090300T. Фазовий склад вихідної суміші та спечених композитів визначали за дифрактограмами, отриманими в дискретному режимі на апараті ДРОН­3М (випромінювання CuKα, кутовий інтервал зйомки 20—100°, шаг сканування 0,05°, експозиція в кожній точці 3 с). Зйомку здійснювали з обертанням зразка у площині закріплення кювети з досліджуваною речови­ ною. Первинну обробку рентгенівських дифракційних даних проводили методом повно­ профільного аналізу. Для якісного фазового аналізу та уточнення параметрів кристалічних ґраток ідентифікованих фаз використовували оригінальний програмний пакет, який вклю­ чає до себе повний комплекс процедур Рітвельда (докладно з методикою рентгенівських досліджень можна ознайомитися на електронному ресурсі www.x­ray.univ.kiev.ua). За даними рентгенівського фазового аналізу (рис. 2) фазовий склад композитів системи cBN(Al)—SiB4—WC практично не залежить від температури спікання. Основною фазовою складовою усіх досліджених композитів є кубічний нітрид бору, період гратки якого ва­ ріюється в залежності від умов спікання. Ромбоедричний борид кремнію SiB4 при високих температурах розкладається і при його взаємодії із карбідом вольфраму WC утворюються дві фази, а саме гексагональний борид вольфраму W2B5 із а = 0,2993(2) нм, с = 1,395(1) нм (літературні дані а = 0,2983 нм, с = 1,388 нм) та тетрагональний силіцид вольфраму WSi2 із а = 0,3208(1) нм, с = 0,7841(3) нм (літературні дані а = 0,3211 нм, с = 0,7829 нм). Надли­ Рис. 2. Результати рентгено­фазо вого аналізу композиту, отрима­ ного при температурі 2000 °С 55ISSN 1025­6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2019. № 8 Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB4—WC в умовах високих р,T­параметрів шок бору та вуглецю, які утворилися внаслідок хімічних реакцій розкладу та заміщення, локалізовані в міжзеренному просторі у вигляді невеликих мікронних скупчень сполук системи В—С. Алюміній, який вводився в невеликій кількості в вихідну шихту з метою зв’я­ зування залишкового кисню, окиснюється з утворенням оксиду α­Al2O3, тим самим запо­ бігаючи окисненню інших компонентів. Загалом, отриманий матеріал представляє собою керамо­матричний композит, який складається із зерен cBN, між якими зосереджені фази W2B5 та WSi2, а в міжзеренному просторі знаходиться незначна кількість сполук системи В—С та α­Al2O3. На рис. 3 наведено електронномікроскопічне зображення керамо­мат­ рич ного матеріалу, отриманого при температурі 2000 °C з характерною однорідною без­ пористою структурою. Залежність деяких фізико­технічних характеристик отриманих матеріалів від температури їх спікання Т, °С Модуль Юнга, ГПа Густина, г/см3 Пористість, % Твердість, HV50 Тріщиностійкість K1C, МПа ⋅ м1/2 1600 576 3,27 0,1 22,5 4,2 1800 602 3,30 0,1 29,3 5,7 2000 613 3,31 0,1 33,4 7,5 2300 583 3,29 0,1 30,1 6,9 Рис. 3. SEM­зображення отриманого композиту Рис. 4. Залежності щільності (а) та модуля Юнга (б) від температури спікання 56 ISSN 1025­6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2019. № 8 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля, Я.­Е. Штоль, Н.М. Білявина Залежність густини отриманої кераміки від температури спікання (рис. 4, а) одержано шляхом гідростатичного зважування у воді та визначенням прямих геометричних розмірів пластин за допомогою мікрометра. Визначення пружніх модулей (модуль Юнга, рис. 4, б) проведено за допомогою ультразвукових досліджень при кімнатній температурі шляхом ви­ міру швидкості поздовжніх та поперечних ультразвукових хвиль. Із даних рис. 4, а та 4, б видно, що щільність, як і модуль Юнга, підвищуються із збільшенням температури спі­ кання та досягають свого максимума при ~2000 °C. Саме при цій температурі відбувається остаточне формування щільної структури, а хімічні процеси, які мають місце при спікання, проходять повною мірою. Подальше підвищення температури спікання активує процеси відпалу дефектів, рекристалізаційні процеси та призводить до часткової “графітизації” фази cBN, що негативно впливає на фізико­технічні та експлуатаційні характеристики даних надтвердих матеріалів. Загальні характеристики ріжучих пластин наведено в таблиці, з якої видно, що матеріали, отримані при температурах 1800—2000 °C, характеризуються найвищими фізико­технічними показниками і можуть бути рекомендовані як ріжучі плас­ тини інструментального призначення. Таким чином, розглядаючи процеси спікання керамо­матричних композитів в системі cBN(Al)—SiB4—WC, можна зробити наступні висновки: в усьому температурному діапазоні відбувається формування високоміцних, безпористих надтвердих матеріалів з високими фізико­механічними характеристиками. В результаті термічного розкладу SiB4 та хімічної взаємодії компонентів з WC змінюється вихідний фазовий склад з утворенням нових спо­ лук W2B5 та WSi2, стехіометричні залишки бору та вуглецю утворюють сполуки системи В—С, а алюміній, поглинаючи залишковий кисень в системі, перетворюється на α­Al2O3. Враховуючи той факт, що сполуки, які входять до складу отриманого керамо­матричного композиту, а саме борид та силіцид вольфраму, а також оксид алюмінію, є матеріалами стій­ кими до окиснення, дана кераміка групи BL (із вмістом cBN 60 об. %) може бути рекомен­ дована для обробки точінням високолегованих сталей за умов високої температури в облас­ ті різання. Дослідження виконано в рамках European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme проект Flintstone2020 (грант № 689279) та Visby Scholarship від Swedish Institute (грант № 02757/2016). ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. Wentorf R.H., DeVries R.C., Bundy F.P. Sintered superhard materials. Science (80). 1980. 208, № 4446. P. 873–880. https://doi.org/10.1126/science.208.4446.873 2. Chiou S.Y., Ou S.F., Jang Y.G., Ou K.L. Research on CBN/TiC composites Part1: Effects of the cBN content and sintering process on the hardness and transverse rupture strength. Ceram. Int. 2013. 39. P. 7205—7210. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.02.066 3. Costes J.P., Guillet Y., Poulachon G., Dessoly M. Tool­life and wear mechanisms of CBN tools in machining of Inconel 718. Int. J. Mach. Tools. Manuf. 2007. 47, Iss. 7. P. 1081, https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools. 2006.09.031 4. Huang, Y., Chou, Y.K., Liang, S.Y. CBN tool wear in hard turning: A survey on research progresses. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2007. 35(5—6). P. 443—453. https://doi.org/10.1007/s00170­006­0737­6 5. Barry J., Byrne G. Cutting tool wear in the machining of hardened steels. Wear. 2001. 247, № 2. P. 139—151. https://doi.org/10.1016/S0043­1648(00)00531­7 57ISSN 1025­6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2019. № 8 Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB4—WC в умовах високих р,T­параметрів 6. Benko E., Stanislaw J.S., Królicka B., Wyczesany A., Barr T.L. сBN­TiN, cBN­TiC composites: Chemical equilibria, microstructure and hardness mechanical investigations. Diam. Relat. Mater. 1999. 8, № 10. P. 1838—1846. https://doi.org/10.1016/S0925­9635(99)00131­4 7. Беженар М.П., Божко С.А., Гарбуз Т.О., Білявина Н.М., Марків В.Я. Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN—TiC—Al. Сверхтв. материалы. 2008. № 5. С. 40—50. 8. Petrusha I.A. et al. Preventive action of silicon nitride at HT­HP sintering of cubic boron nitride. J. Super­ hard Mater. 2015. 37, Iss. 4. P. 222—233. https://doi.org/10.3103/S1063457615040024 9. Abukhshim N.A., Mativenga P.T., Sheikh M.A. Heat generation and temperature prediction in metal cutting: A review and implications for high speed machining. Int. J. Mach. Tools and Manuf. 2006. 46, № 7—8, P. 782—800. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.07.024 10. Lin H.M., Liao Y.S., Wei C.C. Wear behavior in turning high hardness alloy steel by CBN tool’. Wear. 2008. 264, № 7—8. P. 679—684. https://doi.org/10.1016/j.wear.2007.06.006 11. Luo S.Y., Liao Y.S., Tsai Y.Y. Wear characteristics in turning high hardness alloy steel by ceramic and CBN tools. J. Mater. Process. Technol. 1999. 88(1—3). P. 114—121. https://doi.org/10.1016/S0924­0136(98)00376­8 12. Slipchenko K.V., Petrusha I.A., Stratiichuk D.A., Turkevich V.Z. The influence of the VC­Al additive on wear resistance of cBN­based composites. J. Superhard Mater. 2018. 40. № 3. P. 226—227. https://doi.org/10.3103/ S1063457618030115 Надійшло до редакції 02.05.2019 REFERENCES 1. Wentorf, R. H., DeVries, R. C. & Bundy, F. P. (1980). Sintered superhard materials. Science (80), 208, No. 4446, pp. 873­880. https://doi.org/10.1126/science.208.4446.873 2. Chiou, S. Y., Ou, S. F., Jang, Y. G. & Ou, K. L. (2013). Research on CBN/TiC composites Part1: Effects of the cBN content and sintering process on the hardness and transverse rupture strength. Ceram. Int., 39, pp. 7205­7210. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.02.066 3. Costes, J. P., Guillet, Y., Poulachon, G. & Dessoly, M. (2007). Tool­life and wear mechanisms of CBN tools in machining of Inconel 718. Int. J. Mach. Tools. Manuf., 47, Iss. 7, pp. 1081. https://doi.org/10.1016/j. ijmachtools.2006.09.031 4. Huang, Y., Chou, Y. K. & Liang, S. Y. (2007). CBN tool wear in hard turning: A survey on research progresses. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 35, No. 5–6, pp. 443­453. https://doi.org/10.1007/s00170­006­0737­6 5. Barry, J. & Byrne, G. (2001). Cutting tool wear in the machining of hardened steels. Wear, 247, No. 2, pp. 139­151. https://doi.org/10.1016/S0043­1648(00)00531­7 6. Benko, E., Stanislaw, J. S., Królicka, B., Wyczesany, A. & Barr, T. L. (1999). сBN­TiN, cBN­TiC composites: Chemical equilibria, microstructure and hardness mechanical investigations. Diam. Relat. Mater., 8, No. 10, pp. 1838­1846. https://doi.org/10.1016/S0925­9635(99)00131­4 7. Bezhenar, M. P., Bozhko, S. A., Garbuz, T. O., Bilyavina, N. M. & Markiv, V. Ya. Titanium/aluminium diborides in composites produced by the reaction sintering at high pressures in the cBN—TiC—Al. Sverchtv. Mater., 2008, No. 5, pp. 40­50. 8. Petrusha, I. A. et al. (2015). Preventive action of silicon nitride at HT­HP sintering of cubic boron nitride. J. Superhard Mater., 37, Iss. 4, pp. 222­233. https://doi.org/10.3103/S1063457615040024 9. Abukhshim, N. A., Mativenga, P. T. & Sheikh, M. A. (2006). Heat generation and temperature prediction in metal cutting: A review and implications for high speed machining. Int. J. Mach. Tools and Manuf., 46, No. 7­8, pp. 782­800. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.07.024 10. Lin, H. M., Liao, Y. S. & Wei, C. C. (2008). Wear behavior in turning high hardness alloy steel by CBN tool’. Wear, 264, No. 7­8, pp. 679­684. https://doi.org/.1016/j.wear.2007.06.006 11. Luo, S. Y., Liao, Y. S. & Tsai, Y. Y. (1999). Wear characteristics in turning high hardness alloy steel by ceramic and CBN tools. J. Mater. Process. Technol., 88(1­3), pp. 114­121. https://doi.org/10.1016/S0924­0136(98)00376­8 12. Slipchenko, K. V., Petrusha, I. A., Stratiichuk, D. A. & Turkevich, V. Z. (2018). The influence of the VC­Al additive on wear resistance of cBN­based composites. J. Superhard Mater., 40, No. 3, pp. 226­227. https://doi. org/10.3103/S1063457618030115 Received 02.05.2019 58 ISSN 1025­6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2019. № 8 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля, Я.­Е. Штоль, Н.М. Білявина Д.А. Стратийчук 1, В.З. Туркевич 1, В.Н. Бушля 2, Я.­Э. Штоль 2, Н.Н. Белявина 3 1 Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, Киев 2 Лундский университет, Швеция 3 Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко Е­mail: d_strat@ukr.net ПОЛУЧЕНИЕ СВЕРХТВЁРДЫХ КОМПОЗИТОВ ГРУППЫ BL В СИСТЕМЕ cBN(Al)—SiB4—WC В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ р,Т­ПАРАМЕТРОВ Изучены процессы формирования керамо­матричных материалов в системе cBN(Al)—SiB4—WC в усло­ виях высоких давлений (7,7 ГПа) в температурном интервале 1600—2300 °С. Показано, что для выбранной нами композиции (BL­группа) 60 об. % cBN, 5 об. % Al, 25 об. % SiB4 и 10 об. % WC во всём температур­ ном интервале формируются практически безпористые сверхтвёрдые материалы с твёрдостью не менее 33 ГПа и модулем Юнга 613 ГПа, что обусловлено формированием высокопрочной керамической матрицы как в результате жидкофазного спекания с участием алюминия так и активного химического взаимодейст­ вия тетраборида кремния с WС. Экспериментально показано, что процессы консолидации микропорош­ ков целесообразно проводить при температурах не менее 1800 °C, а использование нагрева системы выше 2200 °C приводит к излишней графитизации сBN и собирательной рекристаллизации в целом. По дан­ ным XRD­анализа установлено, что в результате термического разложения тетраборида кремния и даль­ нейшей химической реакции с WС образуются новые соединения W2B5 и WSi2, а исходный алюминий окисляется до α­Al2O3 избавляя тем самым систему от избытка кислорода. Все новые соединения образо­ ванные в процессе получения керамики, представлены микрокристаллитными формами размером не бо­ лее 1—3 мкм, которые расположены в межзёренном пространстве основной матрицы, что способствует дополнительному увеличению твёрдости и трещиностойкости. Полученные сверхтвёрдые керамические пластины могут использоваться при точении закалённых (до 60 HRC) и высоколегированных (в том чис­ ле инконелеевых сталей) в условиях развития повышенных температур в области резания. Ключевые слова: высокие давления, cBN, сверхтвёрдые материалы, бориды кремния, режущая керамика. D.A. Stratiichuk 1, V.Z. Turkevich 1, V.M. Bushlya 2, J.­E. Ståhl 2, N.M. Bilyavyna 3 1 V.N. Bakul Institute for Superhard Materials of the NAS of Ukraine, Kyiv 2 Lund University, Sweden 3 Taras Shevchenko National University of Kyiv Е­mail: d_strat@ukr.net OBTAINING SUPERHARD COMPOSITES OF THE BL GROUP IN THE cBN(Al)—SiB4—WC SYSTEM UNDER HIGH PRESSURE AND HIGH TEMPERATURE CONDITIONS The processes of formation of ceramic­matrix materials in the cBN(Al)­SiB4­WC system under high pressure conditions (7.7 GPa) in the temperature range of 1600­2300 °C are studied. It is shown that, for the composition chosen by us (BL group), 60 % vol. cBN, 5 % vol. Al, 25 % vol. SiB4 and 10 % vol. WC, non­porous superhard materials are virtually formed in the entire temperature range with hardness of no less than 33 GPa and Young’s modulus of 613 GPa, which is attributable to the formation of a high­strength ceramic matrix both as a result of the liquid­phase sintering using aluminium and of an active chemical interaction of silicon tetraboride with WC. It is demonstrated by experiments that the micropowder consolidation process should be carried out at tempera­ tures of no less than 1800 °C. The heating of the system above 2200 °C leads to the excessive cBN graphitization and accumulative recrystallization in general. According to the XRD analysis, it was established that, as a result of the thermal decomposition of silicon tetraboride and further chemical reaction with WC, new compounds are formed: W2B5 and WSi2, and the original aluminum is oxidized to α­Al2O3, thereby relieving the system of excess oxygen. All new compounds formed in the course of producing the ceramics are represented by microcrystalline forms, not exceeding 1—3 µm in size, that are arranged in the intergranular space of the core matrix, which con­ tributes to an additional increase in hardness and fracture resistance. The obtained superhard ceramic plates can be used for turning tempered (up to 60 HRC) and high­alloyed (including inconel) steel at rising tempera­ tures in the cutting area. Keywords: high pressures, cBN, superhard materials, silicon borides, cutting ceramics.

Ähnliche Einträge