Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB₄—WC в умовах високих тисків та температур
В умовах високого тиску (7,7 ГПа) та температури (1600—2200 °C) в апараті високого тиску типу “тороїд-30” досліджено процеси спікання алмазних мікропорошків у присутності тетрабориду кремнію (SiB₄) та карбіду вольфраму (WC). Експериментально показано, що добавок SiB₄ та WC у кількості 5 % об. кожног...
Збережено в:
| Дата: | 2019 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2019
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162461 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB₄—WC в умовах високих тисків та температур / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля // Доповіді Національної академії наук України. — 2019. — № 10. — С. 49-56. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-162461 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1624612020-01-10T01:26:17Z Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB₄—WC в умовах високих тисків та температур Стратійчук, Д.А. Туркевич, В.З. Бушля, В.М. Матеріалознавство В умовах високого тиску (7,7 ГПа) та температури (1600—2200 °C) в апараті високого тиску типу “тороїд-30” досліджено процеси спікання алмазних мікропорошків у присутності тетрабориду кремнію (SiB₄) та карбіду вольфраму (WC). Експериментально показано, що добавок SiB₄ та WC у кількості 5 % об. кожного цілком достатньо для формування міцного алмазного композита, а процес реакційного спікання краще проводити в температурному інтервалі 1900—2000 °C з витримкою не більше 60 с. За даними XRD-аналізу, при температурах вище 1600 °C SiB₄ взаємодіє з алмазним вуглецем та WC, внаслідок чого утворюються фази β-SiC та W₂B₅, що розміщуються в міжзеренному просторі і які є зв'язуючими фазами алмазного композита. При температурах вище 2000 °C зафіксовано значну графітизацію алмазних зерен та, як наслідок, різке зниження фізико-механічних характеристик композита. Отриманий при 1950 °C матеріал характеризується низькою пористістю (~0,1 %), високою твердістю (HV10 = 62 ГПа), тріщиностійкістю (К1С = 9,7 МПа • м^1/2), модулем Юнга 820 ГПа та термостійкістю ~1100 °C. В условиях высокого давления (7,7 ГПа) и температуры (1600—2200 °C) в аппарате высокого давления типа “тороид-30” изучены процессы спекания алмазных микропорошков в присутствии тетраборида кремния (SiB₄) и карбида вольфрама. Экспериментально показано, что добавок SiB₄ и WC в количестве 5 % об. каждого вполне достаточно для формирования прочного алмазного композита, а процесс реакционного спекания лучше проводить в температурном интервале 1900—2000 °C при выдержке не больше 60 с. Согласно данным XRD-анализа, при температурах выше 1600 °C тетраборид кремния взаимодействует с алмазным углеродом и WC, в результате чего образуются фазы β-SiC и W₂B₅, которые сосредоточены в межзёренном пространстве и являются связующими фазами алмазного композита. При температурах выше 2200 °C зафиксирована значительная графитизация алмазных зёрен и, как следствие, резкое падение физико-механических характеристик композита. Полученный при 1950 °C материал характеризуется низкой пористостью (~0,1 %), высокой твёрдостью (HV10 = 62 ГПа), трещиностойкостью (К1С = 9,7 МПа • м^1/2), модулем Юнга 820 ГПа и термостойкостью ~1100 °C. Under conditions of high pressures (7.7 GPa) and temperatures (1600-2200 °C) in a high-pressure apparatus of the “toroid-30” type, sintering of diamond micropowders in the presence of silicon tetraboride (SiB₄) and tungsten carbide is studied. It is experimentally shown that SiB₄ and WC additives in the amount of 5 % by volume each are quite sufficient for the formation of a durable diamond composite, and the reaction sintering process is best carried out in the temperature range 1900-2000 °C with an exposure time of no more than 60 sec. According to the XRD analysis, it is shown that, at temperatures above 1600 °C, silicon tetraboride interacts with diamond carbon and WC, resulting in the formation of β-SiC and W₂B₅ phases, which are concentrated in the intergranular space and are the connecting phases of the diamond composite. At temperatures above 2200 °C, the significant graphitization of diamond grains is recorded, and, as a consequence, a sharp drop in the physicomechanical characteristics of the composite is observed. The material obtained at 1950 C is characterized by low porosity (~ 0.1%), high hardness (HV10 = 62 GPa), crack resistance (К1С = 9,7 МПа • м^1/2), Young’s modulus equal to 820 GPa, and heat resistance ~1100 °C. 2019 Article Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB₄—WC в умовах високих тисків та температур / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля // Доповіді Національної академії наук України. — 2019. — № 10. — С. 49-56. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 1025-6415 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2019.10.049 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162461 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. Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB₄—WC в умовах високих тисків та температур Доповіді НАН України |
| description |
В умовах високого тиску (7,7 ГПа) та температури (1600—2200 °C) в апараті високого тиску типу “тороїд-30” досліджено процеси спікання алмазних мікропорошків у присутності тетрабориду кремнію (SiB₄) та карбіду вольфраму (WC). Експериментально показано, що добавок SiB₄ та WC у кількості 5 % об. кожного цілком достатньо для формування міцного алмазного композита, а процес реакційного спікання краще проводити в температурному інтервалі 1900—2000 °C з витримкою не більше 60 с. За даними XRD-аналізу, при температурах вище 1600 °C SiB₄ взаємодіє з алмазним вуглецем та WC, внаслідок чого утворюються
фази β-SiC та W₂B₅, що розміщуються в міжзеренному просторі і які є зв'язуючими фазами алмазного композита. При температурах вище 2000 °C зафіксовано значну графітизацію алмазних зерен та, як наслідок, різке зниження фізико-механічних характеристик композита. Отриманий при 1950 °C матеріал характеризується низькою пористістю (~0,1 %), високою твердістю (HV10 = 62 ГПа), тріщиностійкістю (К1С = 9,7 МПа • м^1/2), модулем Юнга 820 ГПа та термостійкістю ~1100 °C. |
| format |
Article |
| author |
Стратійчук, Д.А. Туркевич, В.З. Бушля, В.М. |
| author_facet |
Стратійчук, Д.А. Туркевич, В.З. Бушля, В.М. |
| author_sort |
Стратійчук, Д.А. |
| title |
Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB₄—WC в умовах високих тисків та температур |
| title_short |
Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB₄—WC в умовах високих тисків та температур |
| title_full |
Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB₄—WC в умовах високих тисків та температур |
| title_fullStr |
Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB₄—WC в умовах високих тисків та температур |
| title_full_unstemmed |
Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB₄—WC в умовах високих тисків та температур |
| title_sort |
отримання надтвердих композитів у системі салм—sib₄—wc в умовах високих тисків та температур |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2019 |
| topic_facet |
Матеріалознавство |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/162461 |
| citation_txt |
Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB₄—WC в умовах високих тисків та температур / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля // Доповіді Національної академії наук України. — 2019. — № 10. — С. 49-56. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT stratíjčukda otrimannânadtverdihkompozitívusistemísalmsib4wcvumovahvisokihtiskívtatemperatur AT turkevičvz otrimannânadtverdihkompozitívusistemísalmsib4wcvumovahvisokihtiskívtatemperatur AT bušlâvm otrimannânadtverdihkompozitívusistemísalmsib4wcvumovahvisokihtiskívtatemperatur |
| first_indexed |
2025-07-14T15:00:30Z |
| last_indexed |
2025-07-14T15:00:30Z |
| _version_ |
1837634925477494784 |
| fulltext |
49
ОПОВІДІ
НАЦІОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМІЇ НАУК
УКРАЇНИ
ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2019. № 10: 49—56
Значний розвиток сучасної промисловості вимагає створення більш довговічних, термо-
стійких та зносостійких матеріалів інструментального призначення [1]. Алмазні компози-
ційні матеріали завдяки своїй високій твердості та зносостійкості знаходять дуже широке
застосування в галузях каменеобробки, буріння, обробки кольорових металів, деревини та
пластику [2]. Деякі технологічні завдання стають можливими лише за наявності алмазного
ріжучого інструменту [3]. Відомо, що алмазні мікропорошки, як складова надтвердих ма те-
ріалів, важко піддаються вільному спіканню, тому всі алмазовмісні композити отри мують
шляхом реакційного спікання із активаторами [4]. Серед базових є металічний кобальт,
порошок кремнію або карбонати лужних металів [5, 6]. Основними недоліками алмазовміс-
них керамічних матеріалів є їх відносно невисока термічна стійкість, що безпосередньо по в’я-
зано із взаємодією алмазу з киснем повітря по типу хімічної реакції Салм + О2 СО + СО2,
© Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля, 2019
https://doi.org/10.15407/dopovidi2019.10.049
УДК 539.89
Д.А. Стратійчук 1, В.З. Туркевич 1, В.М. Бушля 2
1 Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ
2 Лундський університет, Швеція
E-mail: d_strat@ukr.net
Отримання надтвердих композитів
у системі Салм—SiB4—WC в умовах
високих тисків та температур
Представлено академіком НАН України В.З. Туркевичем
В умовах високого тиску (7,7 ГПа) та температури (1600—2200 °C) в апараті високого тиску типу “то-
роїд-30” досліджено процеси спікання алмазних мікропорошків у присутності тетрабориду кремнію (SiB4)
та карбіду вольфраму (WC). Експериментально показано, що добавок SiB4 та WC у кількості 5 % об. кож-
ного цілком достатньо для формування міцного алмазного композита, а процес реакційного спікання краще
проводити в температурному інтервалі 1900—2000 °C з витримкою не більше 60 с. За даними XRD-аналізу,
при температурах вище 1600 °C SiB4 взаємодіє з алмазним вуглецем та WC, внаслідок чого утворюються
фази -SiC та W2B5, що розміщуються в міжзеренному просторі і які є зв’язуючими фазами алмазного ком-
позита. При температурах вище 2000 °C зафіксовано значну графітизацію алмазних зерен та, як наслідок,
різке зниження фізико-механічних характеристик композита. Отриманий при 1950 °C матеріал харак-
теризується низькою пористістю (0,1 %), високою твердістю (HV10 62 ГПа), тріщиностійкістю
(К1С 9,7 МПа · м1/2), модулем Юнга 820 ГПа та термостійкістю 1100 °C.
Ключові слова: борид кремнію, карбід вольфраму, алмаз, реакційне спікання, високий тиск, твердість, над-
тверда кераміка.
МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО
50 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2019. № 10
Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля
а також зворотним фазовим переходом Салм Сгр (графітизацією алмазу), який значною
мірою відбувається в міжзеренному просторі та катастрофічно знижує фізико-механічні ха-
рактеристики матеріалу [7]. Високошвидкісна обробка сплавів, буріння твердих порід в
умовах недостатнього охолодження — все це провокує розвиток локальних перегрівів у об-
ласті різання і негативно впливає на зносостійкість та довговічність алмазного інструменту
[8]. Тому отримання керамічних алмазовмісних матеріалів із підвищеною термостійкістю є
актуальним завданням сьогодення. Згідно з даними наукових джерел, кремній утворює де-
кілька боридів [9], які є досить реакційноздатними сполуками та мають високі температури
плавлення (Тпл), а також значну хімічну інертність і термостійкість. Так, сполуки із сис-
теми Si—B разом із боридами алюмінію та В4С використовують як елементи вогнетрив-
кої боридної кераміки. Водночас карбід та бориди вольфраму широко відомі як основа ін-
струментальної та вогнетривкої кераміки [10, 11].
У даній роботі запропоновано метод отримання надтвердих алмазовмісних матеріалів
інструментального призначення в системі Салм—SiB4—WC. Дослідження проведені із за-
стосуванням техніки високого тиску в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля
НАН України на діючому обладнанні.
Методика проведення експерименту. Спікання мікропорошків у вибраній нами сис-
темі (Салм—SiB4—WC) проведено в апараті високого тиску (АВТ) типу “тороїд-30” на пре-
совій установці ДО 044 зусиллям 20 МН, підключеній до промислового комп’ютера. На
рис. 1, а зображена спрощена схема комірки високого тиску (КВТ), яка дає змогу проводити
експерименти при тисках 7,7 ГПа та температурах до 2500 C. Перед початком досліджень
КВТ була проградуйована за тиском з використанням фазових переходів у вісмуті (2,55
та 7,7 ГПа при Т 293 К) і за температурою шляхом плавлення (при 7,7 ГПа) металів: пра-
зеодим (935 C), Al (1180 С), Cu (1415 C), та евтектики Мо—С (2250 C). При цьому
враховано відому залежність Тпл цих металів від тиску. Також для більш достовірних зна-
чень температури в області спікання алмазних композитів використано фазовий перехід
алмаз → графіт в системі Салм—Со.
Вихідними матеріалами служили мікропорошки Салм виробництва ElementSix із зер-
нистістю 15—25 мкм (Grade 22), мікропорошок WC та мікропорошок SiB4 виробництва
ABСR із розміром зерен 1—3 мкм.
Рис. 1. Спрощена схема комірки високого тиску (а) та загальний вигляд от-
риманих алмазовмісних пластин (б)
51ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2019. № 10
Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB4—WC в умовах високих тисків та температур
Шляхом мокрого змішування в середовищі ізопропанолу готували гомогенну суміш
Салм/SiB4 /WC із співвідношенням компонентів 90 : 5 : 5 об. %. Дану суміш піддавали де-
газації у вакуумі (10–3 мм рт. ст.) з метою видалення залишків розчинника і кисню повітря
та розміщували в центральній частині КВТ у порожнистому графітовому нагрівнику.
Після створення необхідного тиску (7,7 ГПа) шляхом пропускання електричного стру-
му систему нагрівали до заданих температур і загартовували під тиском. Для запобігання
надлишкової графітизації алмазної фази час нагріву не перевищував 90 с. Загалом спікання
проведено в чотирьох температурних точках: 1600, 1800, 2000, 2200 C, у результаті чого
отримано зразки надтвердої кераміки правильної геометричної форми, які після механічної
обробки мали такі розміри: 9,52 мм, h 3,18 мм (див. рис. 1, б).
Результати та їх обговорення. За даними рентгенофазового аналізу (рис. 2) в усьому
температурному інтервалі зафіксована хімічна взаємодія між компонентами.
Тетраборид кремнію, взаємодіючи з алмазним вуглецем та WC, утворює зерна -SiС та
W2В5, які в даному випадку є зв’язуючими фазами, що міцно скріпляють алмазний каркас.
Цей процес можна пояснити з точки зору більш високої хімічної спорідненості кремнію
саме до вуглецю, що призводить до формування хімічно інертного стабільного карбіду крем-
нію. Борид кремнію в даному випадку є джерелом кремнію та бору. Таким чином, алмазо-
вмісна кераміка на 90 % побудована з алмазних зерен, що зцементовані термостійкою фазою
-SiС, які разом із боридом вольфраму розташовані в міжзеренному просторі.
На рис. 3, а зображена спрощена схема будови отриманого матеріалу. В даному типі
матеріалу не зафіксовано формування неперервного перкаляційного кластера із хімічно
зрощеними містками Салм—Салм, як для надтвердих композитів, отриманих у системі
Рис. 2. Результати рентгенофазового аналізу отриманого композита (■ — W2В5)
52 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2019. № 10
Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля
Салм—Со або Салм—доломіт. Загалом отримання високоміцних алмазовмісних керамік
можливе ли ше за умов хімічної взаємодії активатора спікання з алмазним вуглецем та
внаслідок розчинення алмазного вуглецю в розплаві розчинника з подальшою перекрис-
талізацією. У нашому випадку реалізовано ефект хімічної взаємодії SiB4 із вуглецевмісни-
ми фазами WC та Салм, а сформовані сполуки відіграють роль зв’язок, які цементують ал-
мазні зерна (див. рис. 3, б).
Згідно з даними аналізу залежності густини отриманої кераміки від температури
спікання, вже починаючи з температури 1600 C формується високощільний матеріал
( 3,34 г/см3) з низькою пористістю, характеристики якого практично не змінюються до
температур початку графітизації алмазу (2150 °C). У результаті вибіркового експерименту
при 1400 C встановлено недоцільність спікання даних матеріалів при таких низьких тем-
пературах ( 2,12 г/см3).
Шляхом ультразвукової діагностики були досліджені пружні характеристики от ри-
маних матеріалів. На рис. 4, а наведено значення модуля Юнга, що розраховані із швид-
костей повздовжніх та поперечних ультразвукових хвиль за відомими формулами. Не бе-
ручи до уваги результати вибіркового експерименту при 1400 C, очевидно, що при тем-
пературі в інтервалі 1600—2000 C формується високоміцна кераміка із модулем Юнга
750—800 ГПа. Значне падіння пружних характеристик при Т > 2000 C спричинено графі-
тизацією ал мазних зерен, появою графітової фази в міжзеренному просторі і, як наслідок,
зумовлює ослаблення композита. У цілому, в разі можливості спікання в АВТ, які здатні
створювати тиск 10 ГПа та вище, максимум наведеної на рис. 4, а кривої може бути зміще-
ний в область температур 2300—2400 C. Відповідно до розробленої нами методики, очевид-
но, що спікання доцільно проводити при температурах 1900—2000 C.
З використанням алмазних паст та полірування вільним алмазним абразивом (АСМ 1/0)
були виготовлені високоякісні шліфи та вивчені фізико-механічні характеристики отрима-
них матеріалів. Мікроіндентування проведено за Вікерсом на мікротвердомірі THV-30MDX —
навантаження на індентор становило 1 кг у випадку вимірювання мікротвердості та 5 кг для
тріщиностійкості, витримка при заданому навантаженні становила 15 с. Згідно з отримани-
Рис. 3. Схема отриманого при 1900 С композита (а) та його SEM-зображення (б)
53ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2019. № 10
Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB4—WC в умовах високих тисків та температур
ми даними (див. рис. 4, б), протестовані матеріали належать до класу надтвердих керамік з
максимальною твердістю 62 ГПа при тріщиностійкісті 9,7 МПа м1/2. Низькі показники
твердості та тріщиностійкості для керамік, отриманих при 1400 C, пов’язані із недостатньо
міцним скріпленням алмазних зерен зв’язуючими фазами та неповним перебігом усіх хіміч-
них реакцій між компонентами, а ефект падіння твердості для матеріалів, отриманих при
Т > 2000 C, є виключно наслідком графітизації алмазу, що узгоджується з даними ультра-
звукової діагностики.
Оскільки алмазні композити здатні “працювати” в умовах високих динамічних наванта-
жень, за яких реалізується ефект локального перегріву контактної ділянки різець—об-
роблювальна поверхня, отримані матеріали були протестовані на термостійкість. Шляхом
нагрівання на повітрі до температури 1200 C (3 хв) були проведені повторні акустичні до-
слідження і встановлено залежність модуля Юнга від температури відпалу (див. рис. 4, в).
Так, згідно з одержаними даними, нагрівання до 1000 C спричинює падіння пружних ха-
рактеристик на 33 %, а вище 1100 C — значну графітизацію алмазних зерен з катастро-
фічним зниженням модуля Юнга. Нагрівання вище 1200 C перетворює надтверду кераміку
в пористу субстанцію, яка розсипається на окремі частини. При високих температурах та-
кож стають активними реакції окиснення -SiС та W2В5 з утворенням відповідних оксидів,
що остаточно руйнує композит.
Рис. 4. Залежність модуля Юнга (а), твер дості, трі-
щиностійкості (б) від температури спікання та тер-
мостійкість матеріалу на по вітрі (в)
54 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2019. № 10
Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля
Отже, на підставі результатів досліджень встановлено, що формування високоміцних
безпористих надтвердих композитів у системі Салм—SiB4—WC відбувається зі зміною ви-
хідного фазового складу і не залежить від температури спікання. Отримані керамічні мате-
ріали складаються з алмазних зерен, які зцементовані термостійкими фазами -SiС та W2В5
без утворення суцільного алмазного каркаса. Найкращі фізико-технічні характеристики ма-
ють керамічні пластини, отримані при температурах 1900—2000 °C. Дані надтверді матеріа-
ли після металізації поверхні можуть бути рекомендовані як основа для правлячого та буро-
вого інструменту, а також для обробки деревини чи пластику.
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. Scott D.E. The history and impact of synthetic diamond cutters and diamond enhanced inserts on the oil gas
industry. Ind. Diamond Rev. 2006. № 1. P. 48—55.
2. Clarc I.E., Bex P.A. The use of PCD for petroleum and mining drilling. Ind. Diamond Rev. 1999. № 1. P. 43—49.
3. Philbin P., Gordon S. Characterization of the wear behaviour of polycrystalline diamond (PCD) tools when
machining wood-based composites. J. Mater. Process Technol. 2005. 162—163. P. 665—672. https://doi.
org/10.1016/j.jmatprotec.2005.02.085
4. Cook M.W., Bossom P.K. Trends and recent developments in the material manufacture and cutting tool
application of polycrystalline diamond and polycrystalline cubic boron nitride. Int. J. Refract. M. H. 2000. 18,
Iss. 2—3. P. 147—152. https://doi.org/10.1016/S0263-4368(00)00015-9
5. Westraadt J.E., Dubrovinskaia N., Neethling J.H., Sigasal I. Thermally stable polycrystalline diamond
sin tered with calcium carbonate. Diam. Relat. Mater. 2007. 16. P. 1929—1935. https://doi.org/10.1016/j.
diamond.2007.08.011
6. Jianxin D., Hui Z., Ze W., Aihua L. Friction and wear behavior of polycrystalline diamond at temperatures up
to 700 C. Int. J. Refract. M. H. 2011. 29, Iss. 5. P. 631—638 https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm. 2011.04.011
7. Paggett J.W., Drake E.F., Krawits A.D., Winholtz R.A., Griffin N.D. Residual stress and stress gradients in
polycrystalline diamond compacts. Int. J. Refract. M. H. 2002. 20, Iss. 3. P. 187—194. https://doi.org/10.1016/
S0263-4368(01)00077-4
8. Sneddon M.V., Hall D.R. Polycrystalline diamond: manufacture, wear mechanisms, and implications for bit
design. J. Petrol. Technol. 1988. 40, Iss. 12. P. 1593—1601. https://doi.org/10.2118/17006-PA
9. Olesinski R.W., Abbaschian G.J. The B—Si (Boron-Silicon) system. Bull. Alloy Phase Diagrams. 1984. 5,
Iss. 5. P. 478–484. https://doi.org/10.1007/BF02872900
10. Mashadi M., Mohammadijoo M., Honarkar A., Khorshidi Z.N. Preparation of stable ZrB2—SiC—B4C aqueous
suspension for composite based coating: effect of solid content and dispersant on stability. J. Ceramics.
2014. 370851. 6 p. https://doi.org/10.1155/2014/370851
11. Kurlov A.S., Rempel A.A. Effect of cobalt powder morphology on the properties of WC—Co hard alloys.
Inorg. Mater. 2013. 49, № 9. P. 889—893. https://doi.org/10.1134/S0020168513080086
Надійшло до редакції 18.06.2019
REFERENCES
1. Scott, D. E. (2006). The history and impact of synthetic diamond cutters and diamond enhanced inserts on
the oil gas industry. Ind. Diamond Rev., No. 1, pp. 48-55.
2. Clarc, I. E. & Bex, P. A. (1999). The use of PCD for petroleum and mining drilling. Ind. Diamond Rev., No. 1,
pp. 43-49.
55ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2019. № 10
Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB4—WC в умовах високих тисків та температур
3. Philbin, P. & Gordon, S. (2005). Characterization of the wear behaviour of polycrystalline diamond (PCD)
tools when machining wood-based composites. J. Mater. Process. Technol., 162-163, pp. 665-672. https://doi.
org/10.1016/j.jmatprotec.2005.02.085
4. Cook, M. W. & Bossom, P. K. (2000). Trends and recent developments in the material manufacture and cut-
ting tool application of polycrystalline diamond and polycrystalline cubic boron nitride. Int. J. Refract. M. H.,
18, Iss. 2-3, pp. 147-152. https://doi.org/10.1016/S0263-4368(00)00015-9
5. Westraadt, J. E., Dubrovinskaia, N., Neethling, J. H. & Sigasal, I. (2007). Thermally stable polycrystalline
diamond sintered with calcium carbonate. Diam. Relat. Mater., 16, pp. 1929-1935. https://doi.org/10.1016/j.
diamond.2007.08.011
6. Jianxin, D., Hui, Z., Ze, W. & Aihua, L. (2011). Friction and wear behavior of polycrystalline diamond at
temperatures up to 700 °C. Int. J. Refract. M. H., 29, Iss. 5, pp. 631-638. https://doi.org/10.1016/j.
ijrmhm.2011.04.011
7. Paggett, J. W., Drake, E. F., Krawits, A. D., Winholtz, R. A. & Griffin, N. D. (2002). Residual stress and stress
gradients in polycrystalline diamond compacts. Int. J. Refract. M. H., 20, Iss. 3, pp. 187-194. https://doi.
org/10.1016/S0263-4368(01)00077-4
8. Sneddon, M. V. & Hall, D. R. (1988). Polycrystalline diamond: manufacture, wear mechanisms and implica-
tions for bit design J. Petrol. Technol., 40, Iss. 12, pp. 1593-1601. https://doi.org/10.2118/17006-PA
9. Olesinski, R. W. & Abbaschian, G. J. (1984). The B—Si (Boron—Silicon) system. Bull. Alloy Phase Diagrams,
5, Iss. 5, pp 478-484. https://doi.org/10.1007/BF02872900
10. Mashadi, M., Mohammadijoo, M., Honarkar, A. & Khorshidi, Z. N. (2014). Preparation of stable ZrB2—
SiC—B4C aqueous suspension for composite based coating: effect of solid content and dispersant on stability.
J. Ceramics, 370851, 6 p. https://doi.org/10.1155/2014/370851
11. Kurlov, A. S. & Rempel, A. A. (2013). Effect of cobalt powder morphology on the properties of WC—Co hard
alloys. Inorg. Mater., 49. No. 9, pp. 889-893. https://doi.org/10.1134/S0020168513080086
Received 18.06.2019
Д.А. Стратийчук 1,
В.З. Туркевич 1, В.Н. Бушля 2
1 Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, Киев
2 Лундский университет, Швеция
Е-mail: d_strat@ukr.net
ПОЛУЧЕНИЕ СВЕРХТВЁРДЫХ КОМПОЗИТОВ
В СИСТЕМЕ Салм—SiB4—WC В УСЛОВИЯХ
ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУР
В условиях высокого давления (7,7 ГПа) и температуры (1600—2200 C) в аппарате высокого давления
типа “тороид-30” изучены процессы спекания алмазных микропорошков в присутствии тетраборида
кремния (SiB4) и карбида вольфрама. Экспериментально показано, что добавок SiB4 и WC в количестве
5 % об. каждого вполне достаточно для формирования прочного алмазного композита, а процесс реакци-
онного спекания лучше проводить в температурном интервале 1900—2000 C при выдержке не больше
60 с. Согласно данным XRD-анализа, при температурах выше 1600 C тетраборид кремния взаимодей-
ствует с алмазным углеродом и WC, в результате чего образуются фазы -SiC и W2B5, которые сосредо-
точены в межзёренном пространстве и являются связующими фазами алмазного композита. При тем-
пературах выше 2200 C зафиксирована значительная графитизация алмазных зёрен и, как следствие,
резкое падение физико-механических характеристик композита. Полученный при 1950 C материал ха-
рактеризуется низкой пористостью (0,1 %), высокой твёрдостью (HV10 62 ГПа), трещиностойкостью
(К1С 9,7 МПа м1/2), модулем Юнга 820 ГПа и термостойкостью 1100 C.
Ключевые слова: борид кремния, карбид вольфрама, алмаз, реакционное спекание, высокое давление, твёр-
дость, сверхтвёрдая керамика.
56 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2019. № 10
Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, В.М. Бушля
D.A. Stratiichuk 1,
V.Z. Turkevich 1, V.M. Bushlya 2
1 V.N. Bakul Institute for Superhard Materials of the NAS of Ukraine, Kyiv
2 Lund University, Sweden
Е-mail: d_strat@ukr.net
OBTAINING SUPERHARD COMPOSITES
IN THE SYSTEM CDIAM—SiB4—WC UNDER CONDITIONS
OF HIGH PRESSURES AND TEMPERATURES
Under conditions of high pressures (7.7 GPa) and temperatures (1600-2200 C) in a high-pressure apparatus of
the “toroid-30” type, sintering of diamond micropowders in the presence of silicon tetraboride (SiB4) and
tungsten carbide is studied. It is experimentally shown that SiB4 and WC additives in the amount of 5 % by
volume each are quite sufficient for the formation of a durable diamond composite, and the reaction sintering
process is best carried out in the temperature range 1900-2000 C with an exposure time of no more than 60 sec.
According to the XRD analysis, it is shown that, at temperatures above 1600 C, silicon tetraboride interacts
with diamond carbon and WC, resulting in the formation of -SiC and W2B5 phases, which are concentrated in
the intergranular space and are the connecting phases of the diamond composite. At temperatures above 2200 C,
the significant graphitization of diamond grains is recorded, and, as a consequence, a sharp drop in the physico-
mechanical characteristics of the composite is observed. The material obtained at 1950 C is characterized by low
porosity ( 0.1%), high hardness (HV10 62 GPa), crack resistance (K1C 9.7 MPa · m1/2), Young’s modulus
equal to 820 GPa, and heat resistance 1100 C.
Keywords: silicon boride, tungsten carbide, diamond, reaction sintering, high pressures, hardness, superhard
ceramics.
|