Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN-TiC WC-(Al) в умовах високих р,T-параметрів

Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN-TiC WC-(Al) в умовах високих р,T-параметрів

Шляхом спікання мікропорошків кубічного нітриду бору та TiC з добавками WC і алюмінію в умовах високого тиску (7,7 ГПа) в температурному інтервалі 1400—2450 °C досліджено процеси формування надтвердих композитів групи BL інструментального призначення. У вихідній шихті об'ємне співвідношення к...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2020
Автори: Стратійчук, Д.А., Туркевич, В.З., Сліпченков, К.В., Бушля, В.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/123456789/170410
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:Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN-TiC WC-(Al) в умовах високих р,T-параметрів / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченков, В.М. Бушля // Доповіді Національної академії наук України. — 2020. — № 4. — С. 57-65. — Бібліогр.: 14 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-170410
record_format dspace
spelling irk-123456789-1704102020-07-16T01:28:31Z Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN-TiC WC-(Al) в умовах високих р,T-параметрів Стратійчук, Д.А. Туркевич, В.З. Сліпченков, К.В. Бушля, В.М. Матеріалознавство Шляхом спікання мікропорошків кубічного нітриду бору та TiC з добавками WC і алюмінію в умовах високого тиску (7,7 ГПа) в температурному інтервалі 1400—2450 °C досліджено процеси формування надтвердих композитів групи BL інструментального призначення. У вихідній шихті об'ємне співвідношення компонентів становило: cBN : TiC : WC : Al = 60 : 30 : 5 : 5. За умов НРНТ-спікання в усьому температурному інтервалі отримано високоміцні надтверді композити, які за даними XRD-аналізу на 90—95 % складаються із зерен cBN та TiC. Починаючи з температури спікання вище за 1850 °C зафіксовано утворення нової фази — TiB₂ (~4 % об.), а також дуже незначних кількостей (~1 % об.) AlN та AlB₂. Спечені керамоматричні композити мають високі значення твердості (35—40 ГПа) і характерну залежність густини та модуля Юнга від температури спікання. Найбільш високі фізико-механічні показники характерні для кераміки, отриманої в температурному інтервалі 1800—2200 °C, що узгоджується із результатами випробувань у режимі високошвидкісного точіння загартованих (до 60 HRC) та високолегованих (у тому числі інконелеєвих) сталей в умовах високих температур в області різання. Так, у результаті лабораторних випробувань отриманих композитів, а саме високошвидкісної чистової обробки нержавіючої сталі AISI 316L (швидкість 300 м/с, подача 0,15 мм/об, протягом 5 хв) виявлено, що всі зразки даної системи мають знос різальної кромки в діапазоні VB = 60 … 82 мкм. By sintering micropowders of cubic boron nitride with TiC and WC&Al additives at high pressure (7.7 GPa) in the temperature range 1400—2450 °C, the formation processes of superhard instrumental purpose composites of the BL group are studied. In the original charge, the respective components were taken in the following volume ratio: cBN : TiC : WC : Al = 60 : 30 : 5 : 5. Carrying out the HPHT sintering over the entire temperature range, high strength superhard composites were obtained which, according to the XRD- analysis, are composed of 90—95 % cBN and TiC grains. Starting with a temperature above 1850 °C, the formation of a new phase — TiB₂ (~4 % vol.), as well as very small amounts (~1 % vol.) of AlN and AlB₂, was recorded. The obtained ceramicmatrix composites show high hardness values (35—40 GPa) and a characteristic dependence of the density and Young’s modulus on the temperature. The highest physical and mechanical values are characteristic of ceramics obtained in the temperature range 1800—2200 °C, which is consistent with the test results at the highspeed turning of hardened (up to 60 HRC) and high-alloy (including inconel) steels at high temperatures in the cutting area. Conducting laboratory tests of the obtained composites, namely, the high-speed finishing of AISI 316L stainless steel (speed 300 m/s, feed 0.15 mm/rev, for 5 minutes), showed that all samples of this system exhibit cutting edge wear in the interval VB = 60 ... 82 microns. Путём спекания микропорошков кубического нитрида бора и TiC с добавками WC и алюминия в условиях высокого давления (7,7 ГПа) в температурном интервале 1400—2450 °C изучены процессы формирования сверхтвёрдых композитов группы BL инструментального назначения. В исходной шихте объёмное соотношение компонентов составляло: cBN : TiC : WC : Al = 60 : 30 : 5 : 5. При НРНТ-спекании во всём температурном интервале получены высокопрочные сверхтвёрдые композиты, которые по данным XRD- анализа на 90—95 % состоят из зёрен cBN и TiC. Начиная с температуры спекания выше 1850 °C зафиксировано образование новой фазы – TiB₂ (~4 % об.), а также очень незначительных количеств (~1 % об.) AlN и AlB₂. Полученные керамоматричные композиты имеют высокие значения твёрдости (35—40 ГПа) и характерную зависимость плотности и модуля Юнга от температуры спекания. Наиболее высокие физико-механические значения характерны для керамик, полученных в температурном интервале 1800—2200 °C, что согласуется с результатами испытаний при высокоскоростном точении закалённых (до 60 HRC) и высоколегированных (в том числе инконелеевых) сталей в условиях высоких температур в области резания. Так, в результате лабораторных испытаний полученных композитов, а именно высокоскоростной чистовой обработки нержавеющей стали AISI 316L (скорость 300 м/с, подача 0,15 мм/об, в течение 5 мин) установлено, что все образцы данной системы имеют износ режущей кромки в диапазоне VB = 60 … 82 мкм. 2020 Article Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN-TiC WC-(Al) в умовах високих р,T-параметрів / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченков, В.М. Бушля // Доповіді Національної академії наук України. — 2020. — № 4. — С. 57-65. — Бібліогр.: 14 назв. — укр. 1025-6415 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2020.04.057 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/170410 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.
Сліпченков, К.В.
Бушля, В.М.
Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN-TiC WC-(Al) в умовах високих р,T-параметрів
Доповіді НАН України
description Шляхом спікання мікропорошків кубічного нітриду бору та TiC з добавками WC і алюмінію в умовах високого тиску (7,7 ГПа) в температурному інтервалі 1400—2450 °C досліджено процеси формування надтвердих композитів групи BL інструментального призначення. У вихідній шихті об'ємне співвідношення компонентів становило: cBN : TiC : WC : Al = 60 : 30 : 5 : 5. За умов НРНТ-спікання в усьому температурному інтервалі отримано високоміцні надтверді композити, які за даними XRD-аналізу на 90—95 % складаються із зерен cBN та TiC. Починаючи з температури спікання вище за 1850 °C зафіксовано утворення нової фази — TiB₂ (~4 % об.), а також дуже незначних кількостей (~1 % об.) AlN та AlB₂. Спечені керамоматричні композити мають високі значення твердості (35—40 ГПа) і характерну залежність густини та модуля Юнга від температури спікання. Найбільш високі фізико-механічні показники характерні для кераміки, отриманої в температурному інтервалі 1800—2200 °C, що узгоджується із результатами випробувань у режимі високошвидкісного точіння загартованих (до 60 HRC) та високолегованих (у тому числі інконелеєвих) сталей в умовах високих температур в області різання. Так, у результаті лабораторних випробувань отриманих композитів, а саме високошвидкісної чистової обробки нержавіючої сталі AISI 316L (швидкість 300 м/с, подача 0,15 мм/об, протягом 5 хв) виявлено, що всі зразки даної системи мають знос різальної кромки в діапазоні VB = 60 … 82 мкм.
format Article
author Стратійчук, Д.А.
Туркевич, В.З.
Сліпченков, К.В.
Бушля, В.М.
author_facet Стратійчук, Д.А.
Туркевич, В.З.
Сліпченков, К.В.
Бушля, В.М.
author_sort Стратійчук, Д.А.
title Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN-TiC WC-(Al) в умовах високих р,T-параметрів
title_short Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN-TiC WC-(Al) в умовах високих р,T-параметрів
title_full Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN-TiC WC-(Al) в умовах високих р,T-параметрів
title_fullStr Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN-TiC WC-(Al) в умовах високих р,T-параметрів
title_full_unstemmed Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN-TiC WC-(Al) в умовах високих р,T-параметрів
title_sort формування надтвердих композитів групи bl у системі cbn-tic wc-(al) в умовах високих р,t-параметрів
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2020
topic_facet Матеріалознавство
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/170410
citation_txt Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN-TiC WC-(Al) в умовах високих р,T-параметрів / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченков, В.М. Бушля // Доповіді Національної академії наук України. — 2020. — № 4. — С. 57-65. — Бібліогр.: 14 назв. — укр.
series Доповіді НАН України
work_keys_str_mv AT stratíjčukda formuvannânadtverdihkompozitívgrupiblusistemícbnticwcalvumovahvisokihrtparametrív
AT turkevičvz formuvannânadtverdihkompozitívgrupiblusistemícbnticwcalvumovahvisokihrtparametrív
AT slípčenkovkv formuvannânadtverdihkompozitívgrupiblusistemícbnticwcalvumovahvisokihrtparametrív
AT bušlâvm formuvannânadtverdihkompozitívgrupiblusistemícbnticwcalvumovahvisokihrtparametrív
first_indexed 2025-07-15T05:36:00Z
last_indexed 2025-07-15T05:36:00Z
_version_ 1837690006633709568
fulltext 57 ОПОВІДІ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 4: 57—65 Машинобудівний прогрес і створення нових важкооброблюваних суперсплавів вимагає від прикладного матеріалознавства постійного пошуку високоефективного різального інстру- менту, який поєднуватиме в собі значну термічну стійкість та хімічну інертність [1—3]. Се- ред таких матеріалів добре себе зарекомендували cBN-композити, в яких частка кубічного нітриду бору знаходиться в межах 45—65 % об. Такі керамоматричні форми об’єднують у Ц и т у в а н н я: Стратійчук Д.А., Туркевич В.З., Сліпченко К.В., Бушля В.М. Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN—TiC—WC—(Al) в умовах високих р,T-параметрів. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 4. С. 57—65. https://doi.org/10.15407/dopovidi2020.04.057 МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО https://doi.org/10.15407/dopovidi2020.04.057 УДК 539.89 Д.А. Стратійчук 1, В.З. Туркевич 1, К.В. Сліпченко 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 Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN—TiC—WC—(Al) в умовах високих р,T-параметрів Представлено академіком НАН України В.З. Туркевичем Шляхом спікання мікропорошків кубічного нітриду бору та TiC з добавками WC і алюмінію в умовах високо го тиску (7,7 ГПа) в температурному інтервалі 1400—2450 C досліджено процеси формування над- твердих композитів групи BL інструментального призначення. У вихідній шихті об’ємне співвідношення компонентів становило: cBN : TiC : WC : Al  60 : 30 : 5 : 5. За умов НРНТ-спікання в усьому темпера- турному інтервалі отримано високоміцні надтверді композити, які за даними XRD-аналізу на 90—95 % складаються із зерен cBN та TiC. Починаючи з температури спікання вище за 1850 C зафіксовано ут- ворення нової фази — TiB2 (~4 % об.), а також дуже незначних кількостей (~1 % об.) AlN та AlB2. Спе- чені керамоматричні композити мають високі значення твердості (35—40 ГПа) і характерну залежність густини та модуля Юнга від температури спікання. Найбільш високі фізико-механічні показники харак- тер ні для кераміки, отриманої в температурному інтервалі 1800—2200 C, що узгоджується із резуль- татами випробувань у режимі високошвидкісного точіння загартованих (до 60 HRC) та високолегованих (у тому числі інконелеєвих) сталей в умовах високих температур в області різання. Так, у результаті ла- бораторних випробувань отриманих композитів, а саме високошвидкісної чистової обробки нержавіючої сталі AISI 316L (швидкість 300 м/с, подача 0,15 мм/об, протягом 5 хв) виявлено, що всі зразки даної систе- ми мають знос різальної кромки в діапазоні VB  60 … 82 мкм. Ключові слова: високий тиск, cBN, надтверді матеріали, карбід титану, карбід вольфраму, різальна кераміка. 58 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 4 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля групу під загальною назвою BL [4, 5], а серед вже комерційно доступних і успішно засто- совуваних слід відзначити композити, які отримані в системах cBN—TiC, cBN—TiN та cBN—TiCN [6—8]. Разом із високою термічною та хімічною стабільністю, яка забезпечена зернами cBN, експлуатаційні та фізико-механічні властивості різального інструменту мо- жуть бути цілеспрямовано змінені шляхом додавання зв’язувальної фази різної хімічної природи. Слід зазначити, що BL-композити внаслідок того, що можуть містити до 55 % зв’язувальної фази, значно програють у міцності й твердості іншим cBN-керамікам (BH- група) [9], в яких частка кубічного нітриду бору становить не менше як 80 %. Тому різальні пластини, які виготовлені з BL-композитів, можуть застосовуватися лише для чистової об- робки, коли відсутні активні динамічні навантаження. Однак за рахунок значної хімічної стійкості до окиснення й інертності щодо багатьох компонентів сучасних сталей і супер- сплавів даний тип матеріалів є незамінним, особливо в умовах високошвидкісної обробки. Як зв’язки можна використовувати досить широкий спектр тугоплавких сполук (зазвичай це карбіди, бориди і нітриди 3d- та 4d-елементів) [10], які здатні утворювати тверді розчи- ни заміщення, хімічно зв’язуватися із cBN зернами, а також формувати власні керамомат- ричні форми. Значна увага саме до зв’язок карбідної природи насамперед пов’язана з їх ви- сокою міцністю, зносостійкістю і в багатьох випадках термостійкістю. Загалом вже дос- ліджено досить широкий спектр карбідних зв’язок як складових cBN-композитів, серед них такі тугоплавкі карбіди, як Cr3C2, VC, ZrC, VC [11—13]. Усі вони разом із cBN здатні утво- рювати високоміцні надтверді керамоматричні композити інструментального призначення. У даній роботі проаналізовано процеси фазоутворення і фізико-технічні характеристи- ки керамічних матеріалів групи BL, отриманих у системі cBN—TiC—WC—(Al), а також роз- глянуто перспективність їх використання як різальних пластин для обробки нержавіючих сталей. Використання TiC—WC зв’язки здійснено з метою поєднати хімічну стійкість кар- біду титану із твердістю та термостійкістю WC, що надасть матеріалу додаткової полі- функціональності і дасть змогу працювати в умовах високих температур в області різання. Фазоутворення у вибраній системі досліджували за допомогою апарата високого тиску типу “тороїд-30”, який розміщували в пресовій установці марки ДО 044 загальним зусил- лям 2500 т. Для спікання використовували мікропорошки cBN (виробництва Element Six з розміром частинок 1—10 мкм), TiC, WC (виробництва ABCR з розміром частинок 1—3 мкм) і пудру алюмінію Al (виробництва ABCR). На першому етапі шляхом змішування в пла- нетарному млині в середовищі ізопропілового спирту готували гомогенну суміш вихідних мікропорошків із співвідношенням компонентів cBN : TiC : WC : Al як 60 : 30 : 5 : 5 % об. Отримана в такий спосіб шихта була надалі дегазована шляхом відпалу (600 C) у вакуумі (р 10–5 мм рт. ст.) для видалення залишків органічного розчинника, води та адсорбова- ного кисню повітря. НРНТ-спікання здійснювали в графітових нагрівниках при сталому квазігідростатичному тиску 7,7 ГПа в температурному інтервалі 1400—2450 C, усі експери- менти були гартівними, час спікання становив 60 с. У результаті одночасної дії високого тиску і температури були сформовані циліндричні зразки правильної геометричної форми, з яких шляхом механічної обробки вільним алмазним абразивом та алмазними шліфу- вальними кругами виготовлено різальні пластини з параметрами d  9,52 мм, h  3,18 мм від- повідно до стандарту ISO 1832—2017 на різальні пластини — RNGN 090300T. Густину та відкриту пористість вимірювали шляхом гідростатичного зважування у воді, мікротвер- 59ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 4 Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN—TiC—WC—(Al) в умовах високих р,T-параметрів дість та тріщиностійкість — методом індентування відполірованої поверхні алмазною піра- мідою Вікерса. Пружний модуль отриманої кераміки визначали за допомогою ультразву- кових досліджень, вимірюючи швидкість поширення поперечних та поздовжніх УЗ-хвиль. XRD-аналіз [14] фазового складу вихідної суміші для спікання та спечених зразків про- ведено у випромінюванні CuK (Cu  1,54060 Å) на рентгенівському дифрактометрі STOE STADI MP. Первинну обробку рентгенівських дифракційних даних здійснювали методом повнопрофільного аналізу. Для якісного фазового аналізу та уточнення параметрів криста- лічних ґраток ідентифікованих фаз використовували оригінальний програмний пакет, який включає повний комплекс процедур Рітвельда (http://www.x-ray.univ.kiev.ua). Рис. 1. Результати рентгенофазового аналізу композитів, отриманих у температурному інтервалі 1600— 2300 C (а) ↓ — фаза ТіВ2, ■ — фаза ТіС), і ділянка XRD-спектра для матеріалу, спеченого при Т  1850 C (б) (CuK-випромінювання) 60 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 4 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля За даними рентгенівського фазового аналізу вихідна шихта містить cBN (параметри гратки а  b  с 3,6141 Å), ТіС (а  b  с  4,3219 Å) та WC (а  b  2,9066 Å, c  2,8394 Å), проте алюміній через його дрібнодисперсність і незначну кількість даним методом не іден- тифіковано. На рис. 1, а наведено результати XRD-аналізу отриманих зразків залежно від температури спікання. Результати розрахунку одержаних дифрактограм показують, що в усьому температурному інтервалі спікання основу (до 90—95 % об.) керамоматричного ма- теріалу становлять фази cBN та TiC. Починаючи з Тсп  1850 C у системі зафіксовано утворення дибориду титану в кількості 4—5 % об. із параметрами ґратки a  b  3,0281 Å, c 3,2338 Å, що супроводжується зникненням фази WC (див. рис. 1). При цьому параметр кристалічної ґратки карбіду титану дещо збільшується до а  b  с  4,325 Å. Результати роз- рахунків кристалічної структури карбіду титану, що існує в зразках, спечених при темпера- турі 1850C та вище, показують, що утворення дибориду титану (TiB2) супроводжується збідненням карбіду TiC титаном, місце якого заповнюють атоми вольфраму, утворюючи твердий розчин (Ti,W)C з вмістом близько 5 ат. % вольфраму. Таким чином, фазовий склад зразків з Тсп  1850 C формують дві основні фази — cBN і Ti4,5W0,5C5 з домішкою TiB2. Зауважимо, що за своїм складом отриманий нами потрійний карбід титану Ti4,5W0,5C5 містить дещо меншу кількість вольфраму, ніж відомий карбід Ti4WC5, а його утворення су- проводжується накопиченням вакансій у підґратці вуглецю. Рис. 2. SEM-зображення отриманих композитів залежно від температури спікання 61ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 4 Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN—TiC—WC—(Al) в умовах високих р,T-параметрів Слід зазначити, що утворення дибориду титану, найімовірніше пов’язане з прямою хі- мічною взаємодією cBN та ТіС у місцях контакту зерен і відбувається за механізмом твердо- фазних реакцій. За умов високотемпературного спікання алюміній перетворився на рідку фазу і частко- во провзаємодіяв із cBN, утворивши AlN та AlB2, також зафіксовано -Al2O3. Усі ці фази виявляються у вигляді незначних скупчень у міжзеренному просторі, переважно на грани- цях зерен cBN основної керамоматричної структури, а їх сумарна кількість не перевищує 2—3 %. Добавка алюмінію в даній системі використана як додатково активувальний компо- нент, що робить спікання частково рідкофазним (при цьому знижується температура спі- кання), сприяючи тим самим формуванню більш міцної кераміки з низькими показниками пористості. Також алюмінієва пудра завдяки своїй високій дисперсності та реакційній здат- ності зв’язує залишковий кисень у системі, перешкоджаючи окисненню основних карбід- них фаз. Ретельне дослідження мікроструктур дало змогу оцінити морфологію зерен cBN і зв’язувальних фаз. Так, за даними SEM-аналізу встановлено, що зерна cBN не змінюють своєї морфології, залишаючись чітко означеними в усьому температурному інтервалі. При температурі спікання понад 2000 C зафіксовано характерні субструктурні зміни, пов’язані із високотемпературним відпалом дефектів і появою мікродвійників. Новоутворені фази, зокрема ТіВ2, локалізовані в міжзеренному просторі і рівномірно розподілені по всьому об’єму керамоматричної структури у вигляді скупчень зерен мікронних розмірів. Загалом в усьому температурному інтервалі матеріал характеризується однорідною дрібнодисперс- ною структурою з досить чіткими міжфазними границями і відсутністю значної закритої пористості (рис. 2). Аналізуючи залежність густини та модуля Юнга від температури спікання (рис. 3), при- ходимо до висновку, що починаючи з температури 1600 C вже сформована міцна монолітна матриця із сталими фізичними показниками, які у випадку модуля Юнга мають місце до температури  2300 C. Подальше підвищення температури спікання призводить до част- кової графітизації cBN, явищ збиральної рекристалізації, збільшення частки ТіВ2 у між- зе ренному просторі та послаблення структури в цілому, що відображено як ділянка зне- Рис. 3. Залежність щільності (а) і модуля Юнга (б) від температури спікання керамо- матричних ком позитів 62 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 4 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля міцнення (див. рис. 3, б). Твердість та тріщиностійкість (рис. 4) також мають характерну залежність від температури спікання. Так, згідно з даними рис. 4, а, твердість композитів, о т риманих у температурному інтервалі 1800—2200 C, практично не змінюється і знахо- диться в межах 35—38 ГПа, а тріщиностійкість (див. рис. 4, б) має пологу залежність із зна- ченнями К1С  6 … 7 МПа  м1/2, із подальшим падінням при Тсп  2300 C. Усе це вказує на те, що процеси формування високоміцного керамоматричного композита з оптимальними фізико-механічними характеристиками відбуваються при температурах 1800—2200 C, що може бути враховано у разі їх промислового впровадження. У результаті лабораторних випробувань отриманого композита, а саме високошвидкіс- ної чистової обробки нержавіючої сталі AISI 316L за швидкості різання vc  300 м/хв, по- дачі f  0,15 мм/об, глибині різання ap  0,5 мм впродовж 300 с, виявлено, що зразки даної системи, отримані при температурах 1800—2000 C, мають знос різальної кромки в діапазо- ні VB  60 … 82 мкм. Спостерігається планомірне зниження зносостійкості зразків, отрима- них при підвищених (>2200 C) температурах спікання, і при температурі спікання 2400 C знос кромки сягає VB  181 мкм. Усі зразки та різальні кромки після випробувань зали- шалися цілими з характерною плоскою площадкою зносу без помітних руйнувань і сколів. Таким чином, досліджено процеси НРНТ консолідації мікропорошків у системі cBN— TiC—WC—(Al). У температурному інтервалі 1600—2300 C отримано надтверді високоміц- ні керамоматричні композити інструментального призначення з високими фізико- механічними характеристиками. Починаючи з температури спікання 1850 C зафіксовано утворення нової сполуки — ТіВ2, яка із алюмінієвмісними фазами представлена дрібно- кристалічними формами і розташована в міжзеренному просторі основної cBN—TiC (WC) матриці. Керамічні матеріали показали типову залежність густини від температури спікан- ня, модуль Юнга знаходиться в межах 670—625 ГПа і має ділянку знеміцнення при Тсп  2300 C. Результати лабораторних випробувань свідчать про перспективність даного ма- теріалу 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, проєкт Flintstone2020 (грант № 689279) і Visby Scholarship від Swedish Institute (грант № 02757/2016). Рис. 4. Залежність твердості (а) і тріщиностійкості (б) від температури спікання керамоматричних ком позитів 63ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 4 Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN—TiC—WC—(Al) в умовах високих р,T-параметрів ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. Microstructure-property correlations for hard, superhard, and ultrahard materials: Kanyanta V. (Ed.). Basel: Springer, 2016. 239 p. 2. 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/s00170-006-0737-6 3. Turkevych D.V., Bushlya V., Ståhl J.-E., Petrusha I.A., Belyavina N.N., Turkevich V.Z. HP-HT sintering, microstructure, and properties of B6O- and TiC-containing composites based on cBN. J. Superhard Mater. 2015. 37, № 3. P. 143–154. https://doi.org/10.3103/S1063457615030016 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. Bushlya V., Gutnichenko O., Zhou J., Avdovic P., Ståhl J.-E. Effects of cutting speed when turning age hardened Inconel 718 with PCBN tools of binderless and low-CBN grades. Mach. Sci. Technol. 2013. 17, № 4. P. 497—523. https://doi.org/10.1080/10910344.2013.806105 6. Chiou S.-Y., Ou S.-F., Jang Y.-G., Ou K.-L. Research on CBN/TiC composites Part1: Effects of the cBN con tent and sintering process on the hardness and transverse rupture strength. Ceram. Int. 2013. 39, № 6. P. 7205—7210. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.02.066 7. Angseryd J., Elfwing M., Olsson E., Andrén H.-O. Detailed microstructure of a cBN based cutting tool material. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2009. 27, № 2. P. 249—255. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm. 2008.09.008 8. Benko E., Barr T.L., Hardcastle S., Hoppe E., Bernasik A., Morgiel J. XPS study of the cBN—TiC system. Ceram. Int. 2001. 27, № 6. P. 637—643. https://doi.org/10.1016/S0272-8842(01)00011-6 9. 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 10. Benko E., Wyczesany A., Bernasik A., Barr T.L., Hoope E. CBN—Cr/Cr3C2 composite materials: chemical equilibria, XPS investigations. Ceram. Int. 2000. 26, № 5. P. 545—550. https://doi.org/10.1016/S0272- 8842(99)00093-0 11. Slipchenko K., Petrusha I., Turkevich V., Johansson J., Bushlya V., Ståhl J.-E. Investigation of the mechanical properties and cutting performance of cBN-based cutting tools with Cr3C2 binder phase. Proc. CIRP. 2018. 72. P. 1433—1438. https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.03.180 12. Slipchenko K.V., Petrusha I.A., Stratiichuk D.A., Turkevych V.Z. The influence of VC–Al additive on wear resistance of cBN-based composites. J. Superhard Mater. 2018. 40, № 3. P. 226—227. https://doi.org /10.3103/ S1063457618030115 13. Bezhenar M.P., Oleinik G.S., Bozhko S.A., Garbuz T.O., Konoval S.M. Structure of composites of the cBN— Al—ZrN system produced by high-pressure sintering. J. Superhard Mater. 2009. 31, № 6. P. 357—362. https:// doi.org /10.3103/S106345760906001X 14. Рентгенівські методи дослідження на кафедрі фізики металів КНУ імені Тараса Шевченка. URL: http://www.x-ray.univ.kiev.ua Надійшло до редакції 09.01.2020 REFERENCES 1. Kanyanta, V. (Ed.). (2016). Microstructure-property correlations for hard, superhard, and ultrahard mate- rials. Basel: Springer. 2. 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. 443-453, https://doi.org/10.1007/s00170-006-0737-6 3. Turkevych, D. V., Bushlya, V., Ståhl, J.-E., Petrusha, I. A., Belyavina, N. N. & Turkevich, V. Z. (2015). HP-HT sintering, microstructure, and properties of B6O- and TiC-containing composites based on cBN. J. Superhard Mater., 37, No. 3, pp. 143-154. https://doi.org/10.3103/S1063457615030016 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: Imitational experiments. J. Eur. Ceram. Soc., 39, No. 8, pp. 2658-2665. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.03.002 64 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 4 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля 5. Bushlya, V., Gutnichenko, O., Zhou, J., Avdovic, P. & Ståhl, J.-E. (2013). Effects of cutting speed when tur- ning age hardened Inconel 718 with PCBN tools of binderless and low-CBN grades. Mach. Sci. Technol., 17, No. 4, pp. 497-523. https://doi.org/10.1080/10910344.2013.806105 6. 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, No. 6, pp. 7205-7210. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.02.066 7. Angseryd, J., Elfwing, M., Olsson, E. & Andrén, H.-O. (2009). Detailed microstructure of a cBN based cut- ting tool material. Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 27, No. 2, pp. 249-255. https://doi.org/10.1016/j. ijrmhm.2008.09.008 8. Benko, E., Barr, T. L., Hardcastle, S., Hoppe, E., Bernasik, A. & Morgiel, J. (2001). XPS study of the cBN— TiC system. Ceram. Int., 27, No. 6, pp. 637-643. https://doi.org/10.1016/S0272-8842(01)00011-6 9. Gutnichenko, O., Bushlya, V., Zhou, J. & Ståhl, J.-E. (2017). Tool wear and machining dynamics when turning high chromium white cast iron with pcBN tools. Wear, 390-391, pp. 253-269. https://doi.org/10.1016/j. wear.2017.08.005 10. Benko, E., Wyczesany, A., Bernasik, A., Barr, T. L. & Hoope, E. (2000). CBN—Cr/Cr3C2 composite materials: chemical equilibria, XPS investigations. Ceram. Int., 26, No. 5, pp. 545-550. https://doi.org/10.1016/S0272- 8842(99)00093-0 11. Slipchenko, K., Petrusha, I., Turkevich, V., Johansson, J., Bushlya, V. & Ståhl, J.-E. (2018). Investigation of the mechanical properties and cutting performance of cBN-based cutting tools with Cr3C2 binder phase. Proc. CIRP, 72, pp. 1433-1438. https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.03.180 12. Slipchenko, K. V., Petrusha, I. A., Stratiichuk, D. A. & Turkevych, V. Z. (2018). The influence of VC–Al additive on wear resistance of cBN-based composites. J. Superhard Mater., 40, No. 3, pp. 226-227. https://doi. org /10.3103/S1063457618030115 13. Bezhenar, M. P., Oleinik, G. S., Bozhko, S. A., Garbuz, T. O. & Konoval, S. M. (2009). Structure of com - posites of the cBN—Al—ZrN system produced by high-pressure sintering. J. Superhard Mater., 31, No. 6, pp. 357-362. https://doi.org /10.3103/S106345760906001X 14. X-ray research methods at the Department of Metal Physics, Taras Shevchenko National University of Kyiv. Retrieved from http://www.x-ray.univ.kiev.ua Received 09.01.2020 Д.А. Стратийчук 1, В.З. Туркевич 1, К.В. Слипченко 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 ФОРМИРОВАНИЕ СВЕРХТВЁРДЫХ КОМПОЗИТОВ ГРУППЫ BL В СИСТЕМЕ cBN—TiC—WC—(Al) В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ р,Т-ПАРАМЕТРОВ Путём спекания микропорошков кубического нитрида бора и TiC с добавками WC и алюминия в усло- виях высокого давления (7,7 ГПа) в температурном интервале 1400—2450 C изучены процессы форми- рования сверхтвёрдых композитов группы BL инструментального назначения. В исходной шихте объём- ное соотношение компонентов составляло: cBN : TiC : WC : Al  60 : 30 : 5 : 5. При НРНТ-спекании во всём температурном интервале получены высокопрочные сверхтвёрдые композиты, которые по данным XRD- анализа на 90—95 % состоят из зёрен cBN и TiC. Начиная с температуры спекания выше 1850 C зафик- сировано образование новой фазы – TiB2 (~4 % об.), а также очень незначительных количеств (~1 % об.) AlN и AlB2. Полученные керамоматричные композиты имеют высокие значения твёрдости (35—40 ГПа) и характерную зависимость плотности и модуля Юнга от температуры спекания. Наиболее высокие физико-механические значения характерны для керамик, полученных в температурном интервале 1800—2200 C, что согласуется с результатами испытаний при высокоскоростном точении закалённых (до 60 HRC) и высоколегированных (в том числе инконелеевых) сталей в условиях высоких температур в области ре зания. Так, в результате лабораторных испытаний полученных композитов, а именно вы соко- скорост ной чистовой обработки нержавеющей стали AISI 316L (скорость 300 м/с, подача 0,15 мм/об, в 65ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 4 Формування надтвердих композитів групи BL у системі cBN—TiC—WC—(Al) в умовах високих р,T-параметрів течение 5 мин) установлено, что все образцы данной системы имеют износ режущей кромки в диа пазоне VB  60 … 82 мкм. Ключевые слова: высокое давление, cBN, сверхтвёрдые материалы, карбид титана, карбид вольфрама, режущая керамика. D.A. Stratiichuk 1, V.Z. Turkevich 1, K.V. Slipchenko 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 FORMATION OF SUPERHARD COMPOSITES OF THE BL GROUP IN THE cBN—TiC—WC—(Al) SYSTEM UNDER THE НРНТ-CONDITIONS By sintering micropowders of cubic boron nitride with TiC and WC&Al additives at high pressure (7.7 GPa) in the temperature range 1400—2450 C, the formation processes of superhard instrumental purpose composites of the BL group are studied. In the original charge, the respective components were taken in the following volume ratio: cBN : TiC : WC : Al  60 : 30 : 5 : 5. Carrying out the HPHT sintering over the entire temperature range, high strength superhard composites were obtained which, according to the XRD- analysis, are composed of 90—95 % cBN and TiC grains. Starting with a temperature above 1850 C, the formation of a new phase — TiB2 (~4 % vol.), as well as very small amounts (~1 % vol.) of AlN and AlB2, was recorded. The obtained ceramic- matrix composites show high hardness values (35—40 GPa) and a characteristic dependence of the density and Young’s modulus on the temperature. The highest physical and mechanical values are characteristic of ceramics obtained in the temperature range 1800—2200 C, which is consistent with the test results at the high- speed turning of hardened (up to 60 HRC) and high-alloy (including inconel) steels at high temperatures in the cutting area. Conducting laboratory tests of the obtained composites, namely, the high-speed finishing of AISI 316L stainless steel (speed 300 m/s, feed 0.15 mm/rev, for 5 minutes), showed that all samples of this sys- tem exhibit cutting edge wear in the interval VB  60 ... 82 microns. Keywords: high pressures, cBN, superhard materials, titanium carbide, tungsten carbide, cutting ceramics.

Схожі ресурси