Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN-NbC-Al в умовах високих p,Т-параметрів

Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN-NbC-Al в умовах високих p,Т-параметрів

В умовах високого тиску (7,7 ГПа) у температурному інтервалі 1800—2350 °C досліджено процеси спікання надтвердих композиційних матеріалів групи BL у системі cBN—NbC—Al, в якій об'ємне співвідношення вихідних компонентів вибрано як cBN : NbC : Al = 60 : 35 : 5. За даними XRD аналізу встановлен...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2020
Автори: Стратійчук, Д.А., Туркевич, В.З., Сліпченко, К.В., Бушля, В.М., Білявина, Н.М.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2020
Назва видання:Доповіді НАН України
Теми:
Матеріалознавство
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/170334
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:Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN-NbC-Al в умовах високих p,Т-параметрів / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля, Н.М. Білявина // Доповіді Національної академії наук України. — 2020. — № 2. — С. 37-44. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-170334
record_format dspace
spelling irk-123456789-1703342020-07-12T01:29:06Z Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN-NbC-Al в умовах високих p,Т-параметрів Стратійчук, Д.А. Туркевич, В.З. Сліпченко, К.В. Бушля, В.М. Білявина, Н.М. Матеріалознавство В умовах високого тиску (7,7 ГПа) у температурному інтервалі 1800—2350 °C досліджено процеси спікання надтвердих композиційних матеріалів групи BL у системі cBN—NbC—Al, в якій об'ємне співвідношення вихідних компонентів вибрано як cBN : NbC : Al = 60 : 35 : 5. За даними XRD аналізу встановлено, що вже починаючи з температури 1800 °C між компонентами відбувається хімічна взаємодія із утворенням дибориду ніобію (NbB₂) у кількості 3—5 мас. %, а також незначної кількості оксиду алюмінію, AlN і AlB₂ як результат рідкофазних реакцій за участю алюмінію. Всі ці новоутворення розташовані в міжзеренному просторі та на потрійних стиках зерен і є зв'язуючими фазами базового керамоматричного композита cBN—NbC. За результатами ультразвукової діагностики встановлено, що модуль Юнга та модуль зсуву мають максимум для кераміки, отриманої при температурі спікання 1950 °C, а подальше підвищення температури призводить до погіршення ії фізико-механічних характеристик. Надтверді керамічні пластини із високими фізико-механічними характеристиками можуть використовуватися для високошвидкісного точіння загартованих (до 60 HRC) та високолегованих (у тому числі інконелеєвих) сталей в умовах високих температур в області різання. The processes of sintering of superhard composite materials of the BL group in the cBN—NbC—Al system under high pressure conditions (7.7 GPa) in the temperature range of 1800—2350 °C with the selected volume ratio of the initial components cBN : NbC : Al = 60 : 35 : 5 are studied. According to the XRD analysis, it is established that, starting from 1800 °C, a chemical interaction occurs between the components resulting in the formation of niobium diboride (NbB₂) in the amount of 7 wt %, as well as an insignificant amount of aluminium oxide, AlN and AlB₂ as a result of liquidphase reactions using aluminium. All those newly formed compounds are arranged in the intergranular space and at triple grain junctions representing the binding phases of the basic ceramicmatrix composite cBN—NbC. Based on the results of ultrasound diagnostics, it is shown that Young’s modulus and the shear modulus are at a maximum for ceramics obtained at ÒSINT. = 1950 °C, and a further increase in the sintering temperature leads to reduced stressstrain properties. Superhard ceramic plates with high stressstrain properties can be used for the highspeed turning of tempered (up to 60 HRC) and highalloyed (including Inconel) steel at high temperatures in the cutting area. В условиях высокого давления (7,7 ГПа) в температурном интервале 1800—2350 °C исследованы процессы спекания сверхтвёрдых композиционных материалов группы BL в системе cBN—NbC—Al, в которой объёмное соотношение исходных компонентов выбрано как cBN : NbC : Al = 60 : 35 : 5. По данным XRD-анализа установлено, что начиная с температуры 1800 °C между исходными компонентами происходит химическое взаимодействие с образованием диборида ниобия (NbB₂) в количестве 3—5 мас. %, а также незначительного количества оксида алюминия, AlN и AlB₂ как результат жидкофазных реакций с участием алюминия. Все эти новообразования размещены в межзёренном пространстве и на тройных стыках зёрен, являясь связующими фазами базового керамо-матричного композита cBN—NbC. В результате ультразвуковой диагностики установлено, что модуль Юнга и модуль сдвига имеют максимум для керамики, полученной при температуре спекания 1950 °C, а дальнейшее повышение температуры приводит к ухудшению их физико-механических характеристик. Сверхтвёрдые керамические пластины с высокими физико-механическими характеристиками могут использоваться при высокоскоростном точении закалённых (до 60 HRC) и высоколегированных (в том числе инконелеевых) сталей в условиях высоких температур в области резания. 2020 Article Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN-NbC-Al в умовах високих p,Т-параметрів / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля, Н.М. Білявина // Доповіді Національної академії наук України. — 2020. — № 2. — С. 37-44. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 1025-6415 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2020.02.037 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/170334 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.
Сліпченко, К.В.
Бушля, В.М.
Білявина, Н.М.
Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN-NbC-Al в умовах високих p,Т-параметрів
Доповіді НАН України
description В умовах високого тиску (7,7 ГПа) у температурному інтервалі 1800—2350 °C досліджено процеси спікання надтвердих композиційних матеріалів групи BL у системі cBN—NbC—Al, в якій об'ємне співвідношення вихідних компонентів вибрано як cBN : NbC : Al = 60 : 35 : 5. За даними XRD аналізу встановлено, що вже починаючи з температури 1800 °C між компонентами відбувається хімічна взаємодія із утворенням дибориду ніобію (NbB₂) у кількості 3—5 мас. %, а також незначної кількості оксиду алюмінію, AlN і AlB₂ як результат рідкофазних реакцій за участю алюмінію. Всі ці новоутворення розташовані в міжзеренному просторі та на потрійних стиках зерен і є зв'язуючими фазами базового керамоматричного композита cBN—NbC. За результатами ультразвукової діагностики встановлено, що модуль Юнга та модуль зсуву мають максимум для кераміки, отриманої при температурі спікання 1950 °C, а подальше підвищення температури призводить до погіршення ії фізико-механічних характеристик. Надтверді керамічні пластини із високими фізико-механічними характеристиками можуть використовуватися для високошвидкісного точіння загартованих (до 60 HRC) та високолегованих (у тому числі інконелеєвих) сталей в умовах високих температур в області різання.
format Article
author Стратійчук, Д.А.
Туркевич, В.З.
Сліпченко, К.В.
Бушля, В.М.
Білявина, Н.М.
author_facet Стратійчук, Д.А.
Туркевич, В.З.
Сліпченко, К.В.
Бушля, В.М.
Білявина, Н.М.
author_sort Стратійчук, Д.А.
title Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN-NbC-Al в умовах високих p,Т-параметрів
title_short Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN-NbC-Al в умовах високих p,Т-параметрів
title_full Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN-NbC-Al в умовах високих p,Т-параметрів
title_fullStr Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN-NbC-Al в умовах високих p,Т-параметрів
title_full_unstemmed Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN-NbC-Al в умовах високих p,Т-параметрів
title_sort спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи bl у системі cbn-nbc-al в умовах високих p,т-параметрів
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2020
topic_facet Матеріалознавство
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/170334
citation_txt Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN-NbC-Al в умовах високих p,Т-параметрів / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля, Н.М. Білявина // Доповіді Національної академії наук України. — 2020. — № 2. — С. 37-44. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.
series Доповіді НАН України
work_keys_str_mv AT stratíjčukda spíkannânadtverdihkompozitívínstrumentalʹnogopriznačennâgrupiblusistemícbnnbcalvumovahvisokihptparametrív
AT turkevičvz spíkannânadtverdihkompozitívínstrumentalʹnogopriznačennâgrupiblusistemícbnnbcalvumovahvisokihptparametrív
AT slípčenkokv spíkannânadtverdihkompozitívínstrumentalʹnogopriznačennâgrupiblusistemícbnnbcalvumovahvisokihptparametrív
AT bušlâvm spíkannânadtverdihkompozitívínstrumentalʹnogopriznačennâgrupiblusistemícbnnbcalvumovahvisokihptparametrív
AT bílâvinanm spíkannânadtverdihkompozitívínstrumentalʹnogopriznačennâgrupiblusistemícbnnbcalvumovahvisokihptparametrív
first_indexed 2025-07-15T05:31:26Z
last_indexed 2025-07-15T05:31:26Z
_version_ 1837689720023285760
fulltext 37 Стрімкий розвиток машинобудування та постійно зростаючий попит на металообробку ставить перед прикладним матеріалознавством сьогодення декілька важливих завдань [1]. Насамперед комерційно доступні керамічні матеріали для обробки різанням повинні мати досить високу твердість, термостійкість та значну хімічну інертність щодо складових най­ поширеніших марок сталей [2]. У сукупності все це забезпечить підвищення працездатнос­ ті різального інструменту та високу точність обробки [3], а головне його довговічність, що значною мірою позначається на собівартості кінцевого продукту. Довготривале безперерв не © Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля, Н.М. Білявина, 2020 ISSN 1025­6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 2: 37—44 https://doi.org/10.15407/dopovidi2020.02.037 УДК 539.89 Д.А. Стратійчук 1, В.З. Туркевич 1, К.В. Сліпченко 1, В.М. Бушля 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 Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN—NbC—Al в умовах високих p,Т­параметрів Представлено академіком НАН України В.З. Туркевичем В умовах високого тиску (7,7 ГПа) у температурному інтервалі 1800—2350 °C досліджено процеси спікан ня надтвердих композиційних матеріалів групи BL у системі cBN—NbC—Al, в якій об’ємне співвідно­ шення вихідних компонентів вибрано як cBN : NbC : Al = 60 : 35 : 5. За даними XRD­аналізу встановлено, що вже починаючи з температури 1800 °C між компонентами відбувається хімічна взаємодія із утворенням дибориду ніобію (NbB2) у кількості 3—5 мас. %, а також незначної кількості оксиду алюмінію, AlN і AlB2 як результат рідкофазних реакцій за участю алюмінію. Всі ці новоутворення розташовані в міжзеренно му просторі та на потрійних стиках зерен і є зв’язуючими фазами базового керамо­матричного композита cBN—NbC. За результатами ультразвукової діагностики встановлено, що модуль Юнга та модуль зсу ву мають максимум для кераміки, отриманої при температурі спікання 1950 °C, а подальше підвищення тем­ ператури призводить до погіршення ії фізико­механічних характеристик. Надтверді керамічні пластини із високими фізико­механічними характеристиками можуть викорис­ товуватися для високошвидкісного точіння загартованих (до 60 HRC) та високолегованих (у тому числі інконелеєвих) сталей в умовах високих температур в області різання. Ключові слова: високий тиск, cBN, надтверді матеріали, карбід ніобію, різальна кераміка. 38 ISSN 1025­6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 2 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля, Н.М. Білявина високоточне точіння та точіння з уда­ ром без втрати чистоти оброблюваль­ ної поверхні — ось головні вимоги до сучасної інструментальної техніки [4]. Серед надтвердих матеріалів, які знайшли широке застосування в сфе­ рі металооброб ки, виділяють компо­ зити [5], що містять кубічний нітрид бору (cBN) і які залежно від кількос­ ті добавок умовно можна поділити на групи BL та BH [6]. Перша містить від 55 до 35 % об. добавок (переважно карбіди або нітриди перехідних металів), друга — не більше 20 % об. добавок, внаслідок чого в цих матеріалах матриця сформована переважно зернами cBN. Значна зацікавленість матеріалами групи BL пов’язана насамперед із широким вибором зв’язок, які в об’ємному вмісті до 40 % вже значною мірою впливають на властивості отри­ маної різальної кераміки. Так, хімічну природу зв’язки можна підібрати [7] залежно від того, який тип сталей буде оброблювати дана надтверда кераміка. Серед успішно от ри маних та комерційно доступних матеріалів групи BL слід відзначити композити, отримані в систе­ мах: cBN—TiC, cBN—TiCN [8], cBN—TiN [9, 10], які показали найкращу зносостійкість та тривалість служби експлуатації в умовах високошвидкісного точіння Inconel 718 [11]. Водночас використання жароміцних карбідів перехідних металів [12] із широкою зо­ ною гомогенності дає можливість розширити межі застосування інструментальних матеріа­ лів, у тому числі і за більш екстремальних умов точіння. Представлена робота спрямована на дослідження фазоутворення і вивчення власти­ востей надтвердих композиційних матеріалів групи BL (із вмістом cBN 60 % об.), отрима­ них у системі cBN—NbC—Al в умовах високих тисків та температур. Карбід ніобію вико­ ристано як жароміцну та хімічно інертну щодо компонентів багатьох марок сталей добавку, а також як матеріал, що здатний утворювати тверді розчини заміщення без зміни типу крис­ талічної гратки. Усі експерименти з отримання надтвердої кераміки проведені в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля на діючому пресовому обладнанні, а саме пресовій установці марки ДО 044 в апараті високого тиску типу “тороїд­30”. Як вихідні компоненти для виго­ товлення шихти для спікання використано: мікропорошок cBN (виробництва Element Six з розміром частинок 1—10 мкм), NbC (виробництва ABCR з розміром частинок 1—3 мкм), пудру алюмінію Al (виробництва ABCR). Усі компоненти ретельно перемішували в об’єм­ ному відсотковому співвідношенні cBN : NbC : Al = 60 : 35 : 5 і тривалий час (5 год) гомо­ генізували за допомогою гравітаційного змішувача в середовищі ізопропілового спирту. Рис. 1. Спрощена схема комірки високого тиску (а: 1 — втулка із травертину, 2 — диск із пірофіліту, 3 — графітовий нагрівник, 4 — графітова капсула) і загальний вигляд отриманої керамічної пластини після спі­ кання в графітовому нагрівнику та після ме­ ханічної обробки (б) 39ISSN 1025­6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 2 Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN—NbC—Al... Безпосередньо перед спіканням вихідну шихту піддавали дегазації шляхом відпалу (600 °C) у вакуумі (р — 10–5 мм. рт. ст.) для видалення залишків органічного розчинника, води та адсорбованого кисню повітря. Високотемпературне спікання під високим тиском здійсню­ вали в комірці високого тиску (КВТ), спрощена схема якої зображена на рис. 1, а. Попере­ дньо скомпактовану зусиллям 2 т/см2 вихідну шихту розміщували в порожнистому графі­ товому нагрівнику та ізолювали від інших елементів КВТ графітовими дисками. Спікання здійснювали в температурному інтервалі 1800—2350 °С при сталому тиску 7,7 ГПа протя­ гом 60 с, експерименти були гартівними. Загалом отримані добре сформовані керамічні пластини правильної геометричної форми (див. рис. 1, б), які в подальшому піддавали шлі­ фуванню вільним абразивом та алмазними кругами по опорних і боковій поверхнях для досягнення типорозмірів d = 9,52 мм, h = 3,18 мм відповідно до стандарту ISO 1832—2017 на різальні пластини — RNGN 090300T. Усі отримані різальні пластини були бездефектними, практично безпористими, з гладкою блискучою поверхнею, гострою різальною кромкою та однорідними за фізико­механічними властивостями. Густину і відкриту пористість визна­ чали шляхом гідростатичного зважування у воді та вимірювання прямих геометричних роз­ мірів пластин за допомогою цифрового мікрометра (±5 мкм). Фазовий склад вихідної шихти та отриманих керамічних матеріалів досліджували за допомогою дифрактограм, отриманих у дискретному режимі на апараті ДРОН­3М (ви­ промінювання CuK α , кутовий інтервал зйомки 20—100°, крок сканування 0,05°, експози­ ція в кожній точці 3 с). Зйомку проводили з обертанням зразка у площині закріплення Рис. 2. Результати рентгенофазового аналізу композита, отриманого при температурі 2050 °С (CuK α ­випромінювання) 40 ISSN 1025­6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 2 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля, Н.М. Білявина кювети з досліджуваною речовиною. Для первинної обробки рентгенівських дифракцій­ них даних застосовували метод повнопрофільного аналізу. Для якісного фазового аналізу та уточнення параметрів кристалічних ґраток ідентифікованих фаз використовували ори­ гінальний прог рамний пакет, який включає повний комплекс процедур Рітвельда (www. x­ray.univ.kiev.ua). Аналізуючи дані рентгенівського фазового аналізу (рис. 2), можна зробити такі висно­ вки: фазовий склад композитів системи cBN—NbC—Al залишається сталим в усьому темпе­ ратурному інтервалі спікання. Внаслідок хімічної взаємодії компонентів навіть при 1800 °C до складу композита починає входити диборид ніобію в кількості 3—5 мас. %. Ця фаза при­ сутня в усіх отриманих матеріалах, а її кількість практично не залежить від температури спікання. Слід зазначити, що, попри все, основною фазовою складовою всіх досліджених композитів є кубічний нітрид бору (cBN—кераміка), період гратки якого дещо варіює за­ лежно від умов спікання. Алюміній, який вводили в невеликій кількості (5 об. %) у вихідну шихту з метою зв’язування залишкового кисню та полегшення процесів спікання, роблячи їх частково рідкофазними, окиснюється з утворенням оксиду α­Al2O3, тим самим запобі­ гаючи окисненню інших компонентів. Також під час ретельного аналізу в деяких зразках зафіксовано незначні кількості AlN та AlB2, що є також наслідком взаємодії алюмінію з cBN. Загалом, за даними SEM­аналізу отриманий матеріал являє собою керамо­матрич­ ний композит, який складається із зерен cBN, між якими рівномірно зосереджена фаза NbC (рис. 3). Включення NbB2 локалізовані навколо зерен карбіду ніобію та cBN і разом із Рис. 3. SEM­зображення отриманого композита у різних збільшеннях Рис. 4. Залежність щільності (а) та модуля Юнга і модуля зсуву (б) від тем­ ператури спікання 41ISSN 1025­6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 2 Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN—NbC—Al... α­Al2O3 складають незначні домішки (включення) в основну керамо­матричну структуру cBN—NbC. Потрійних фаз та твердих розчинів заміщення даним методом не виявлено. Результати дослідження залежності густини та відкритої пористості отриманої керамі­ ки від її температури спікання (рис. 4, а) свідчать про те, що вже при температурі ∼1950 °C матеріал характеризується монолітною сформованою матрицею, а подальше підвищення температури спікання слабо змінює її величини; відкрита пористість знаходиться в межах 0,1 % і також слабо залежить від температури спікання у вибраному діапазоні. Загалом за результатами попередніх лабораторних досліджень встановлено, що процеси видимої консолідації вихідних мікропорошків у даній системі починаються з моменту плавлення Al (1100 °С при 7,7 ГПа), а при температурах 1300—1400 °C вже входять до термінальної фази. Усе це пов’язано насамперед із дисперсністю вихідних мікропорошків та, звісно, підсилю­ ється впливом високого тиску. У цій роботі розгнянуто лише матеріали, що отримані в тем­ пературному інтервалі 1800—2350 °С, оскільки саме за таких умов формуються різальні пластини інструментального призначення. Для з’ясування фізико­механічних характеристик отриманих матеріалів (таблиця) були проведені їх ультразвукові дослідження, а також визначено твердість і тріщиностійкість шляхом індентування алмазною пірамідою Вікерса. За швидкістю поширення поздовжніх та поперечних ультразвукових хвиль розраховано модуль Юнга, модуль зсуву та коефіцієнт Пуассона (ŋ) (див. таблицю). На рис. 4, б зображено залежність модуля Юнга та модуля зсуву від температури спікання, з якої видно планомірне зростання цих величин до темпе­ ратури 1950 °C та їх подальший незначний спад. Дане явище можна пояснити процесами консолідації мікропорошків, формуванням міцних міжчастинкових і міжзеренних контак­ тів, що зумовлює загальне зміцнення кераміки, однак подальше підвищення температури спричиняє відпал внутрішньозеренних дефектів, активує збиральну рекристалізацію, що в цілому знижує загальну міцність матеріалу. Дані процеси також позначаються на твердості композита (див. таблицю), яка має характерну залежність від температури спікання. У результаті лабораторних досліджень за умов високошвидкісної чистової обробки нержавіючої сталі AISI 316L за швидкості різання 300 м/хв (подача f = 0,15 мм/об, гли­ бина різання ap = 0,5 мм) впродовж 300 с виявлено, що всі зразки даної системи демонстру­ ють знос різальної кромки в діапазоні VB = 65…85 мкм. Спостерігається планомірне знижен­ ня зносостійкості зразків, отриманих при підвищених (>2100 °C) температурах спікання. Залежність деяких фізико­технічних характеристик отриманих матеріалів від температури їх спікання Т, °С Модуль Юнга, ГПа Густина, г/см3 ŋ Твердість, HV50 Тріщиностійкість, K1C, МПа ⋅ м1/2 1800 574,6 4,925 0,128 24,3 4,8 1950 638,8 4,936 0,170 32,2 6,2 2050 629,9 4,938 0,175 30,4 6,1 2200 611,4 4,941 0,157 29,1 6,0 2350 610,5 4,940 0,156 28,2 5,9 42 ISSN 1025­6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 2 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля, Н.М. Білявина Всі зразки та різальні кромки після випробувань залишалися цілими з характерною планар­ ною площадкою зносу. Підводячи підсумки даного дослідження, можна зробити такі висновки: шляхом спі­ кання дрібнодисперсних мікропорошків кубічного нітриду бору, жароміцного карбіду ніо­ бію з невеликою добавкою Al при тиску 7,7 ГПа в температурному інтервалі 1800—2350 °C були отримані високоміцні керамічні пластини інструментального призначення. В усьому температурному інтервалі зафіксовано формування міцних міжфазних границь із хіміч­ ною взаємодією компонентів. Найвищі фізико­механічні та експлуатаційні характеристики встановлено для матеріалів, отриманих при температурах 1950—2050 °C, що пов’язано із їх перехідним структурним станом, коли, по перше, вже сформовані міцні міжфазні та між­ зеренні границі, однак фактори, які впливають на повторне зниження міцності, ще не ви­ являються повною мірою. Таким чином, враховуючи той факт, що отриманий керамо­матричний композит міс­ тить у своєму складі карбід ніобію, NbВ2, Al2O3, які є жароміцними та хімічно інертними щодо складових багатьох марок сталей, дану різальну cBN­кераміку можна рекомендувати для високошвидкісної обробки точінням високолегованих інструментальних сталей за умов високої температури в області 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. Handbook of ceramic hard materials: Riedel R. (Ed.). Weinheim: Wiley, 2000. 1091 p. https://doi.org/10.1002/ 9783527618217 2. McKie A., Winzer J., Sigalas I., Herrmann M., Weiler L., Rödel J., Can N. Mechanical properties of cBN­Al composite materials. Ceram. Int. 2011. 37, № 1. P. 1—8. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.07.034 3. Gutnichenko O., Bushlya V., Zhou J., Ståhl J.­E. Tool wear and machining dynamics when turning high chromium white cast iron with pcBN tools. Wear. 2017. 390–391. P. 253—269. https://doi.org/10.1016/j. wear.2017.08.005 4. Bushlya V., Bjerke A., Turkevich V.Z., Lenrick F., Petrusha I.A., Cherednichenko K.A., Ståhl J.­E. On chemical and diffusional interactions between PCBN and superalloy Inconel 718: Imitational experiments. J. Eur. Ceram. Soc. 2019. 39, № 8. P. 2658—2665. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.03.002 5. Seco Tools AB. SecomaxTM cBN170. URL: https://www.secotools.com (Дата звернення 05.11.2019). 6. Element Six. URL: https://www.e6.com (Дата звернення 05.11.2019). 7. Slipchenko K., Turkevich V., Petrusha I., Bushlya V., Ståhl J.­E. Superhard pcBN materials with chromium compounds as a binder. Procedia Manuf. 2018. 25. P. 322—329. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.06.090 8. Klimczyk P., Benko E., Lawniczak­Jablonska K., Piskorska E., Heinonen M., Ormaniec A., Gorczynska­ Zawislan W., Urbanovich V.S. Cubic boron nitride — Ti/TiN composites: hardness and phase equilibrium as function of temperature. J. Alloys Compd. 2004. 382, № 1—2. P. 195—205. https://doi.org/10.1016/j.jallcom. 2004.04.140 9. Benko E., Stanisław J.S., Królicka B., Wyczesany A., Barr T.L. сBN—TiN, cBN—TiC 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 10. Rong X.Z., Tsurumi T., Fukunaga O., Yano T. High­pressure sintering of cBN—TiN—Al composite for cut ting tool application. Diam. Relat. Mater. 2002. 11, № 2. P. 280—286. https://doi.org/10.1016/S0925­9635(01)00692­6 11. Slipchenko K.V., Petrusha I.A., Stratiichuk D.A., Turkevich V.Z. The influence of the VC­Al additive on wear resistance of cBN­ based composites. J. Superhard Mater. 2018. 40, № 3. P. 226—227. https://doi.org/10.3103/ S1063457618030115 43ISSN 1025­6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 2 Спікання надтвердих композитів інструментального призначення групи BL у системі cBN—NbC—Al... 12. Piskorska E., Lawniczak­Jablonska K., Demchenko I.N., Minikayev R., Benko E., Klimczyk P., Witkow ska A., Welter E., Heinonen M. Characterization of the c­BN/TiC, Ti3SiC2 systems by element selective spectroscopy. J. Alloys Compd. 2004. 382, № 1—2. P. 187—194. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.05.043 Надійшло до редакції 07.11.2019 REFERENCES 1. Riedel R. (Ed.). (2000). Handbook of ceramic hard materials. Weinheim: Wiley. https://doi.org/10.1002/ 9783527618217 2. McKie, A., Winzer, J., Sigalas, I., Herrmann, M., Weiler, L., Rödel, J. & Can, N. (2011). Mechanical proper­ ties of cBN­Al composite materials. Ceram. Int., 37, No. 1, pp. 1­8. https://doi.org/10.1016/j.ceramint. 2010.07.034 3. Gutnichenko, O., Bushlya, V., Zhou, J. & Ståhl, J.­E. (2017). Tool wear and machining dynamics when turn­ ing high chromium white cast iron with pcBN tools. Wear, 390­391, pp. 253­269. https://doi.org/10.1016/j. wear.2017.08.005 4. Bushlya, V., Bjerke, A., Turkevich, V. Z., Lenrick, F., Petrusha, I. A., Cherednichenko, K. A. & Ståhl, J.­E. (2019). On chemical and diffusional interactions between PCBN and superalloy Inconel 718: Imitatio­ nal experiments. J. Eur. Ceram. Soc., 39, No. 8, pp. 2658­2665. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc. 2019.03.002 5. Seco Tools AB. SecomaxTM cBN170. Retrieved from https://www.secotools.com 6. Element Six. Retrieved from https://www.e6.com 7. Slipchenko, K., Turkevich, V., Petrusha, I., Bushlya, V. & Ståhl, J.­E. (2018). Superhard pcBN materials with chromium compounds as a binder. Procedia Manuf., 25, pp. 322­329. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.06.090 8. Klimczyk, P., Benko, E., Lawniczak­Jablonska, K., Piskorska, E., Heinonen, M., Ormaniec, A., Gorczynska­ Zawislan, W. & Urbanovich, V. S. (2004). Cubic boron nitride — Ti/TiN composites: hardness and phase equilibrium as function of temperature. J. Alloys Compd., 382, No. 1­2, pp. 195­205. https://doi.org/10.1016/j. jallcom.2004.04.140 9. Benko, E., Stanisław, J. S., Królicka, B., Wyczesany, A. & Barr, T. L. (1999). сBN—TiN, cBN—TiC composites: chemical equilibria, microstructure and hardness mechanical investigations. Diam. Relat. Mater., 8, No. 10, pp. 1838­1846. https://doi.org/10.1016/S0925­9635(99)00131­4 10. Rong, X. Z., Tsurumi, T., Fukunaga, O. & Yano, T. (2002). High­pressure sintering of cBN—TiN—Al com­ posite for cutting tool application. Diam. Relat. Mater., 11, No. 2, pp. 280­286. https://doi.org/10.1016/ S0925­9635(01)00692­6 11. Slipchenko, K. V., Petrusha, I. A., Stratiichuk, D. A. & Turkevich, V. Z. (2018). The influence of the VC­Al additive on wear resistance of cBN­ based composites. J. Superhard Mater., 40, No. 3, pp. 226­227. https:// doi.org/10.3103/S1063457618030115 12. Piskorska, E., Lawniczak­Jablonska, K., Demchenko, I. N., Minikayev, R., Benko, E., Klimczyk, P., Wit kowska, A., Welter, E. & Heinonen, M. (2004). Characterization of the c­BN/TiC, Ti3SiC2 systems by element selective spectroscopy. J. Alloys Compd., 382, No. 1­2, pp. 187­194. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.05.043 Received 07.11.2019 Д.А. Стратийчук 1, В.З. Туркевич 1, К.В. Слипченко 1, В.Н. Бушля 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 СПЕКАНИЕ СВЕРХТВЁРДЫХ КОМПОЗИТОВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ В СИСТЕМЕ cBN—NbC—Al В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ р,Т­ПАРАМЕТРОВ В условиях высокого давления (7,7 ГПа) в температурном интервале 1800—2350 °C исследованы процес­ сы спекания сверхтвёрдых композиционных материалов группы BL в системе cBN—NbC—Al, в которой объёмное соотношение исходных компонентов выбрано как cBN : NbC : Al = 60 : 35 : 5. По данным 44 ISSN 1025­6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 2 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля, Н.М. Білявина XRD­анализа установлено, что начиная с температуры 1800 °C между исходными компонентами происхо­ дит химическое взаимодействие с образованием диборида ниобия (NbB2) в количестве 3—5 мас. %, а также незначительного количества оксида алюминия, AlN и AlB2 как результат жидкофазных реакций с участи­ ем алюминия. Все эти новообразования размещены в межзёренном пространстве и на тройных стыках зёрен, являясь связующими фазами базового керамо­матричного композита cBN—NbC. В результате уль­ тразвуковой диагностики установлено, что модуль Юнга и модуль сдвига имеют максимум для керамики, полученной при температуре спекания 1950 °C, а дальнейшее повышение температуры приводит к ухуд­ шению их физико­механических характеристик. Сверхтвёрдые керамические пластины с высокими физико­механическими характеристиками могут использоваться при высокоскоростном точении закалённых (до 60 HRC) и высоколегированных (в том числе инконелеевых) сталей в условиях высоких температур в области резания. Ключевые слова: высокое давление, cBN, сверхтвёрдые материалы, карбид ниобия, режущая керамика. D.A. Stratiichuk 1, V.Z. Turkevich 1, K.V. Slipchenko 1, V.M. Bushlya 2, N.M. Bilyavyna 3 1 V.M. 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 SINTERING OF SUPERHARD INSTRUMENTAL­PURPOSE COMPOSITES OF THE BL GROUP IN THE cBN—NbC—Al SYSTEM UNDER HIGH PRESSURE AND HIGH TEMPERATURE CONDITIONS The processes of sintering of superhard composite materials of the BL group in the cBN—NbC—Al system under high pressure conditions (7.7 GPa) in the temperature range of 1800—2350 °C with the selected volume ratio of the initial components cBN : NbC : Al = 60 : 35 : 5 are studied. According to the XRD analysis, it is established that, starting from 1800 °C, a chemical interaction occurs between the components resulting in the formation of niobium diboride (NbB2) in the amount of 7 wt %, as well as an insignificant amount of aluminium oxide, AlN and AlB2 as a result of liquid­phase reactions using aluminium. All those newly formed compounds are arranged in the intergranular space and at triple grain junctions representing the binding phases of the basic ceramic­ matrix composite cBN—NbC. Based on the results of ultrasound diagnostics, it is shown that Young’s modulus and the shear modulus are at a maximum for ceramics obtained at ТSINT. = 1950 °C, and a further increase in the sintering temperature leads to reduced stress­strain properties. Superhard ceramic plates with high stress­ strain properties can be used for the high­speed turning of tempered (up to 60 HRC) and high­alloyed (including Inconel) steel at high temperatures in the cutting area. Keywords: high pressures, cBN, superhard materials, niobium carbide, cutting ceramics.

Схожі ресурси