Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену

Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену

Із використанням НРНТ технології в температурному інтервалі 1600–2400 °C досліджено процеси формування надтвердих керамоматричних композитів в системах cBN—HfC— (Al) та cBN—Мо₂C—(Al). При вихідному співвідношенні компонентів cBN:карбід:(Al) як 60 : 35 : 5 об. %, використовуючи мікропорошки із розмір...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2020
Hauptverfasser: Стратійчук, Д.А., Туркевич, В.З., Сліпченко, К.В., Бушля, В.М.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2020
Schriftenreihe:Доповіді НАН України
Schlagworte:
Матеріалознавство
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/173202
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля // Доповіді Національної академії наук України. — 2020. — № 9. — С. 38-46. — Бібліогр.: 13 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-173202
record_format dspace
spelling irk-123456789-1732022020-11-26T01:27:06Z Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену Стратійчук, Д.А. Туркевич, В.З. Сліпченко, К.В. Бушля, В.М. Матеріалознавство Із використанням НРНТ технології в температурному інтервалі 1600–2400 °C досліджено процеси формування надтвердих керамоматричних композитів в системах cBN—HfC— (Al) та cBN—Мо₂C—(Al). При вихідному співвідношенні компонентів cBN:карбід:(Al) як 60 : 35 : 5 об. %, використовуючи мікропорошки із розміром зерен 1—10 мкм показано, що починаючи з ТСП. = 1600 °C та вище в системах відбувається консолідація структурних складових із формуванням міцних міжфазних та міжчастинкових контактів таких як cBN–cBN, cBN—карбід та карбід—карбід. Зерена структура в усьому температурному діапазоні спікання не зазнає суттєвих змін та залишається дрібнозернистою із чіткими міжфазними границями. Система cBN—HfC—(Al) характеризується формуванням боридної фази — HfВ₂, в той час як для системи cBN—Мо₂C—(Al) зафіксовано утворення монокарбіду — МоС. Алюміній, який в даних системах присутній в незначній кількості (5 % об.), відіграє роль гетера залишкового кисню та одночасно знижує активаційний бар'єр роблячи процес спікання частково рідкофазним. Модуль Юнга як і твердість показує типову залежність від ТСП. із максимумом при 1800–2000 °C. Лабораторні випробування при точінні нержавіючої сталі AISI 316L (швидкість різання vc = 300 м/хв, подачі f = 0,15 мм/об, глибині різання ap = 0,5 мм, час 300 с) показали знос ріжучої кромки для двох типів композитів в діапазоні 60—90 мкм, що вказує на перспективність даного типу матеріалів в якості металооброблюваного інструменту. Using the HPHT technology in the temperature interval 1600-2400 °C, the processes of formation of superhard ceramic-matrix composites in the cBN-HfC-(Al) and cBN-Мо₂C-(Al) systems have been investigated. With the original ratio of components cBN:carbide:(Al) being 60:35:5 vol. %, using micropowders with a grain size of 1-10 μm, it has been shown that, starting from TSINT = 1600 °C and higher, there is a consolidation of structural constituents in the systems with the formation of strong interphase and interparticle contacts such as cBN-cBN, cBN-carbide, and carbide-carbide. The grain structure in the entire sintering temperature range does not undergo significant changes and remains fine-grained with clear interphase boundaries. The cBN— HfC—(Al) system is characterized by the formation of the boride phase — HfB₂, whereas the formation of monocarbide — MoC has been observed for the cBN-Мо2C-(Al) system. Aluminum, which is present in these systems in small quantities (5 vol. %), plays the role of a residual oxygen getter and simultaneously lowers the activation barrier, making the sintering process partially liquid-phase. Young’s modulus, as well as the hardness, shows a typical dependence on TSINT maximum at 1800—2000 °C. Laboratory tests in turning AISI 316L stainless steel (cutting speed vc = 300 m/min, feed f = 0.15 mm/rev, cutting depth ap = 0.5 mm, time 300 seconds) have demonstrated the cutting edge wear for two types of composites in the range of 60—90 mkm, which indicates that this type of materials is promising as a metalworking tool. 2020 Article Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля // Доповіді Національної академії наук України. — 2020. — № 9. — С. 38-46. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 1025-6415 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2020.09.038 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/173202 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.
Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену
Доповіді НАН України
description Із використанням НРНТ технології в температурному інтервалі 1600–2400 °C досліджено процеси формування надтвердих керамоматричних композитів в системах cBN—HfC— (Al) та cBN—Мо₂C—(Al). При вихідному співвідношенні компонентів cBN:карбід:(Al) як 60 : 35 : 5 об. %, використовуючи мікропорошки із розміром зерен 1—10 мкм показано, що починаючи з ТСП. = 1600 °C та вище в системах відбувається консолідація структурних складових із формуванням міцних міжфазних та міжчастинкових контактів таких як cBN–cBN, cBN—карбід та карбід—карбід. Зерена структура в усьому температурному діапазоні спікання не зазнає суттєвих змін та залишається дрібнозернистою із чіткими міжфазними границями. Система cBN—HfC—(Al) характеризується формуванням боридної фази — HfВ₂, в той час як для системи cBN—Мо₂C—(Al) зафіксовано утворення монокарбіду — МоС. Алюміній, який в даних системах присутній в незначній кількості (5 % об.), відіграє роль гетера залишкового кисню та одночасно знижує активаційний бар'єр роблячи процес спікання частково рідкофазним. Модуль Юнга як і твердість показує типову залежність від ТСП. із максимумом при 1800–2000 °C. Лабораторні випробування при точінні нержавіючої сталі AISI 316L (швидкість різання vc = 300 м/хв, подачі f = 0,15 мм/об, глибині різання ap = 0,5 мм, час 300 с) показали знос ріжучої кромки для двох типів композитів в діапазоні 60—90 мкм, що вказує на перспективність даного типу матеріалів в якості металооброблюваного інструменту.
format Article
author Стратійчук, Д.А.
Туркевич, В.З.
Сліпченко, К.В.
Бушля, В.М.
author_facet Стратійчук, Д.А.
Туркевич, В.З.
Сліпченко, К.В.
Бушля, В.М.
author_sort Стратійчук, Д.А.
title Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену
title_short Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену
title_full Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену
title_fullStr Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену
title_full_unstemmed Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену
title_sort створення керамоматричних композитів групи bl на основі cbn та жароміцних карбідів гафнію або молібдену
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2020
topic_facet Матеріалознавство
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/173202
citation_txt Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену / Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля // Доповіді Національної академії наук України. — 2020. — № 9. — С. 38-46. — Бібліогр.: 13 назв. — укр.
series Доповіді НАН України
work_keys_str_mv AT stratíjčukda stvorennâkeramomatričnihkompozitívgrupiblnaosnovícbntažaromícnihkarbídívgafníûabomolíbdenu
AT turkevičvz stvorennâkeramomatričnihkompozitívgrupiblnaosnovícbntažaromícnihkarbídívgafníûabomolíbdenu
AT slípčenkokv stvorennâkeramomatričnihkompozitívgrupiblnaosnovícbntažaromícnihkarbídívgafníûabomolíbdenu
AT bušlâvm stvorennâkeramomatričnihkompozitívgrupiblnaosnovícbntažaromícnihkarbídívgafníûabomolíbdenu
first_indexed 2025-07-15T09:44:10Z
last_indexed 2025-07-15T09:44:10Z
_version_ 1837705619623116800
fulltext 38 ОПОВІДІ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 9: 38—46 Ц и т у в а н н я: Стратійчук Д.А., Туркевич В.З., Сліпченко К.В., Бушля В.М. Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 9. С. 38—46. https://doi.org/10.15407/dopovidi2020.09.038 Сучасні промислові лінії із металообробки, які працюють в автоматичному або напівав- томатичному режимі, вимагають одночасної високої точності та довговічності від ріжу- чого інструменту [1]. Від цього в кінцевому випадку залежить якість отриманих металевих виробів, їх собівартість та конкурентоспроможність на світовому ринку [2]. Завдяки висо- кому ступеню автоматизації на конвейєрних лініях металообробка зазвичай проходить із https://doi.org/10.15407/dopovidi2020.09.038 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 Е-mail: d_strat@ukr.net Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію або молібдену Представлено академіком НАН України В.З. Туркевичем Із використанням НРНТ технології в температурному інтервалі 1600–2400 °C досліджено процеси форму- вання надтвердих керамоматричних композитів в системах cBN—HfC— (Al) та cBN—Мо2C—(Al). При ви- хідному співвідношенні компонентів cBN:карбід:(Al) як 60 : 35 : 5 об. %, використовуючи мікропорошки із роз- міром зерен 1—10 мкм показано, що починаючи з ТСП. = 1600 °C та вище в системах відбувається консолідація структурних складових із формуванням міцних міжфазних та міжчастинкових контактів таких як cBN–cBN, cBN—карбід та карбід—карбід. Зерена структура в усьому температурному діапазоні спікання не зазнає суттєвих змін та залишається дрібнозернистою із чіткими міжфазними границями. Система cBN—HfC—(Al) характеризується формуванням боридної фази — HfВ2, в той час як для системи cBN—Мо2C—(Al) зафіксовано утворення монокарбіду — МоС. Алюміній, який в даних системах присутній в незначній кількості (5 % об.), відіграє роль гетера залишкового кисню та одночасно знижує активаційний бар’єр роблячи процес спікання частково рідкофазним. Модуль Юнга як і твердість показує типову залеж- ність від ТСП. із максимумом при 1800–2000 °C. Лабораторні випробування при точінні нержавіючої сталі AISI 316L (швидкість різання vc = 300 м/хв, подачі f = 0,15 мм/об, глибині різання ap = 0,5 мм, час 300 с) по- казали знос ріжучої кромки для двох типів композитів в діапазоні 60—90 мкм, що вказує на перспективність даного типу матеріалів в якості металооброблюваного інструменту. Ключові слова: високі тиски, cBN, надтверді матеріали, карбід молібдену, карбід гафнію, ріжуча кераміка. МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО 39ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 9 Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію... значними швидкостями різання [3], що, як відомо, супроводжується підвищеними кон- тактними температурами. Тому вибір матеріалу ріжучої вставки є досить відповідальним технічним завданням. На даний час високого розповсюдження (на заміну керметів групи WС—Co), набули cBN-композити [4, 5], які мають значно вищі фізико-технічні характе- ристики та здатні працювати в більш екстремальних умовах. Оскільки кубічний нітрид бору проявляє низьку хімічну активність [6, 7] по відношенню до компонентів багатьох марок сталей, а також одночасно є досить термостійкою сполукою, керамічні матеріали із його вмістом представлені широким рядом комерційно доступних ріжучих пластин. Серед успішно працюючих слід відзначити керамоматричні композити, які отримані в системах cBN—TiC, cBN—TiN та cBN—TiCN [8—10]. Раніше авторами даної статті вже було проведено пошукові роботи із отримання керамоматричних композитів в інших cBN-карбідних систе- мах: cBN—TaC—(Al), cBN—NbC—(Al), cBN—ZrC—(Al), cBN—VC—(Al), cBN—Cr3C2—(Al) [11—13] та показано перспективність формування в них високоміцних надтвердих мате- ріалів групи BL , здатних працювати в умовах високих температур в області різання. Оскіль- ки під час високошвидкісного точіння дії високої температури піддається як cBN-фаза ком- позиту так і її карбідна складова, вибір останньої за критерієм жароміцності та тугоплав- кості є важливим завданням. В данній роботі наведено методи отримання, особливості процесів структуроутворен- ня та деякі фізико-технічні характеристики надтвердих композитів, які сформовані в сис- темах cBN—жароміцний карбід гафнію або молібдену. Фазовий склад вивчених систем був трьохкомпонентним: cBN—HfC—(Al), cBN—Мо2C—(Al) із об’ємним співвідношен- ням фаз, характерним для BL-групи, а незначна частка алюмінію (5 об. %) використана в якості ге тера залишкового кисню та додаткового активатора спікання. НРНТ-експерименти проведені за класичною методикою порошкової металургії із використанням апарата високого тиску типу “тороїд-30”, який було розміщено в пресовій ус тановці марки ДО 044 із загальною 2500 т потужністю. Для спікання були викорис- тані мікропорошки cBN (виробництво Element Six з розміром частинок 1—10 мкм), HfC та Мо2C (виробництво ABCR з розміром частинок 1—3 мкм) та пудра алюмінію Al (вироб- ництво ABCR). Гомогенна суміш вихідних мікропорошків із співвідношенням компонентів cBN:карбід:Al як 60 : 35 : 5 об. % отримана шляхом змішування у планетарному млині в се- редовищі ізопропилового спирту. Потім шихта була дегазована методом відпалу (600 °C) у вакуумі (р — 10–5 мм.рт.ст.) для видалення залишків органічного розчинника, води та адсор- бованого кисню повітря. Високотемпературне спікання здійснено в порожнистих графіто- вих нагрівниках при сталому квазігідростатичному тиску 7,7 ГПа в температурному інтер- валі 1600—2400 °C, всі експерименти були гартівними, час спікання становив 60 с. В такий спосіб отримано циліндричні заготовки без видимих дефектів та сколів, з яких шляхом ме- ханічної обробки вільним алмазним абразивом та алмазними шліфувальними кругами ви- готовлено ріжучі пластини d = 9,52 мм, h = 3,18 мм із номенклатурою — RNGN 090300T. XRD-аналіз фазового складу вихідної суміші для спікання та спечених зразків прове- дено у випромінюванні CuKα (λCu = 1,54060 Å) на рентгенівському дифрактометрі STOE STADI MP з обробкою та інтерпретацією дифракційних даних за комплексом програм, який включає повний комплекс процедур Рітвельда (www.x-ray.univ.kiev.ua). Значення гус- тини та відкритої пористості отримано через гідростатичне зважування у воді, а також 40 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 9 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля ме тодом визначення прямих геометричних розмірів цифровим мікрометром (±5 мкм). Твердість та тріщиностійкість встановлено за розмірами відбитків шляхом індентування алмазною пірамідою Вікерса, а модуль Юнга розраховано за відомими формулами вихо- дячи із виміряної густини та швидкості розповсюдження поперечних та повздовжніх УЗ хвиль при кімнатній температурі. За даними рентгенівського фазового аналізу вихідна шихта для виготовлення зразків з карбідом гафнію містить cBN (параметри гратки а = b = с= 0,36141 нм), HfC (а = b = с= = 0,46368 нм) та слабкі рефлекси алюмінію. Результати розрахунку дифрактограм спече- них із зазначеної шихти зразків показують, що підвищення температури спікання (ТСП.) супроводжується зміною фазового складу виготовлених зразків (табл. 1). Так, починаючи із ТСП. 1750 °C усі зразки керамоматричного матеріалу в якості додаткової фази містять біля ~2 ваг. % дибориду гафнію HfB2 з параметрами гратки (a = b =0,3138 нм, c = 0,3466 нм) (рис. 1, а), а карбід гафнію HfC зазнає суттєвих змін. По-перше, якщо в вихідній шихті період гратки фази HfC є близьким до її значення для карбіду складу HfC0,99 (0,4640 нм), то з підвищенням температури спікання період гратки цього карбіду лінійно зменшується. Біль- ше того, починаючи із ТСП. 2000 °C в зразках даної системи зафіксовано утворення ще однієї фази, ізоструктурної вихідному карбіду гафнію (умовно позначеної як HfC’) з пе- ріодом а = b = с= 0,4600 нм. Кількість карбіду HfC’ поступово збільшується і в спечених при температурах вищих за 2300 °C саме ця фаза сумісно із cBN та HfB2 формує фазовий склад отриманих композитів. Результати розрахунків кристалічної структури фази HfC’ по- казують, що утворення цього карбіду супроводжується заміщенням частки атомів гафнію на атоми алюмінію (до 9 ат. %) з утворенням складного карбіду (Hf,Al)C, а скоріше, склад- ного карбонітриду (Hf, Al)(C, N), в якому частина атомів вуглецю заміщена атомами азо- ту. При цьому параметр гратки цієї фази (а = 0,4600 нм) наближається до параметра гратки відомого карбонітрида Hf2CN (а = 0,4572 нм). В свою чергу поступове зменшення параметра гратки базового карбіду гафнію HfC, вірогідно, також пов’язане із розчиненням в ньому алюмінію з утворенням твердого розчину заміщення (Hf, Al)CХ. Розчинність алюмінію в цьому твердому розчині сумісно із розчинністю алюмінію в карбонітриді (Hf,Al)(C,N)Х обмежується вмістом алюмінію в шихті. На відміну від гафнійвмісних композитів фазовий склад спечених зразків системи cBN—Mo2C—(Al) від температури практично не залежить (табл. 2) і представлений двома основними фазами (рис. 1, б), що входять до складу шихти (cBN та Mo2C), а також додат- ковою фазою MoC (a = b = 0,2998 нм, c = 1,458 нм), яка утворюється в процесі реакційної взаємодії. Проте, об’єм гратки карбіду Mo2C із ростом температури спікання зазнає істотно- го зменшення. Вочевидь, це може бути обумовлено утворенням твердого розчину заміщен- ня (Mo,Al)2C, який насичується присутнім в шихті алюмінієм до повного його розчинення. Таким чином, в результаті HP—HT взаємодії обидві досліджені системи cBN—HfC—(Al) та cBN—Mo2C—(Al) характеризуються розчиненням алюмінію в карбідах HfC та Mo2C з утворенням відповідних твердих розчинів заміщення. Аналіз мікроструктур зі шліфів композитів за допомогою скануючого електронного мікроскопа показав однорідний зернений склад матриця—наповнювач в усьому темпера- турному інтервалі спікання, в яких розмір часточок, близький до вихідних мікропорош- ків, а міжфазні границі чіткі. Все це вказую на ефективність використаної методики змішу- 41ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 9 Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію... Таблиця 1. Фазовий склад композитів системи cBN—HfC—(Al) та періоди гратки в залежності від ТСП. ТСП., °C Фазовий склад Періоди гратки, нм HfC HfC’ HfB2 a a a c Шихта 1)cBN(12) +HfC(85)+Al(2) 0,46368 — — — 1600 cBN(14)+HfC(86) 0,46361 — — — 1750 cBN(13)+HfC(85)+HfB2(2) 0,46302 — 0,31382 0,34628 2000 cBN(13)+HfC’(14)+HfC(71) + HfB2(2) 0,46215 0,4594 0,31380 0,34659 2150 cBN(13)+HfC(55)+HfC’(30) + HfB2(2) 0,46159 0,4601 0,31394 0,34672 2300 cBN(15)+HfC’(83)+HfB2(2) — 0,45973 0,31367 0,34635 2400 cBN(15)+HfC’(83)+HfB2(2) — 0,46021 0,31397 0,34662 1) Вміст фаз за оціночними даними XRD аналізу в мас. % (указано в дужках) Рис. 1. Результати рентгено-фазового аналізу композитів, отриманих при ТСП. = 2000 °C: а — система cBN—HfC—(Al), б — система cBN—Мо2C—(Al), 2Θ, град., Cukα-випромінювання 42 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 9 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля вання шихти, а також на відсутність явиш збиральної рекристалізації або інших меха- нізмів із укрупнення зерен під час НРНТ спікання. Хімічна взаємодія, що має місце під час спікання, значною мірою проходить на поверхнях зерен та не зачіпляє внутрішньозере- ний масив, а отже навіть при максимальній ТСП. = 2400 °C матеріал загалом складається із вихідної cBN-карбідної матриці (рис. 2, а, б) яка створює міцний керамоматричний ком- позит. В випадку системи cBN—Мо2C—(Al) карбідна фаза (рис. 2, а) представлена голко- по діб ними формами, в той час як карбід гафнію (рис. 2, б) формує білу плямисту матрицю в оточенні cBN-зерен. Алюміній, який введено в незначній кількості з метою зниження ак ти ваційного бар’єру (полегшення) спікання, в результаті рідкофазної взаємодії утворює з карбідами тверді розчини заміщення і частково перетворюється на AlN, AlB2 та α-Al2O3, останні фази містяться в кількостях ~0,5—1 % кожна та в даній роботі ретельно дослідже- ні не були. Аналіз залежності густини та модулю Юнга від ТСП. (рис. 3, а, б) показує, що в темпера- турному інтервалі 1600—2000 °C система значною мірою ущільнюється поступово формую- чи монолітну безпористу структуру із найвищими показниками модуля Юнга для моліб- Рис. 2. SEM зображення отриманих композитів при ТСП. = 2400 °C: а — система cBN—Мо2C—(Al), б — система cBN—HfC—(Al) Таблиця 2. Фазовий склад композитів системи cBN—Mo2C—(Al) та періоди гратки в залежності від ТСП. ТСП., °C Фазовий склад Періоди гратки, нм Mo2C a b c Шихта 1)cBN(27) + Mo2C(70) + Al(3) 0,47327 0,60174 0,52100 1600 cBN(20) + Mo2C(72) + MoC(8) 0,47735 0,59988 0,51968 2000 cBN(20) + Mo2C(72) + MoC(8) 0,47653 0,60005 0,51973 2150 cBN(20) + Mo2C(66) + MoC(14) 0,47639 0,59990 0,51940 2300 cBN(20) + Mo2C(70) + MoC(10) 0,47648 0,60001 0,51987 2400 cBN(20) + Mo2C(66) + MoC(14) 0,47568 0,59966 0,51936 1) Вміст фаз за оціночними даними XRD аналізу в мас. % (указано в дужках) 43ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 9 Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію... денвмісних композитів 540 ГПа (ТСП. = 1800 °C) та 570 ГПа (ТСП. = 2000 °C) для систе ми cBN—HfC—(Al). Незначне падіння (на 7—9 %) модуля Юнга при подальшому підвищенні температури спікання в першу чергу пов’язане із накопиченням на границях зерен про- дуктів взаємодії cBN-карбідна матриця—алюміній, що негативно впливає на її міцнісні характеристики. Однак навіть при ТСП. = 2400 °C матеріал залишається досить високомо- дульним керамоматричним композитом без ознак структурної деградації. Аналогічно до густини і модуля Юнга твердість та тріщиностійкість (рис. 4) також проявляє типову кар- тину в залежності від ТСП. Так на етапі активного спікання (ТСП. > 1600 °C) із формуван- ням міцних міжфазних та міжчастинкових контактів відбувається значне збільшення по- казників твердості із 16 ГПа (ТСП. = 1600 °C) до 27 ГПа (ТСП. = 2000 °C) в випадку гафній- вмісної системи та менш виразне із 24 ГПа (ТСП. = 1600 °C) до 28 ГПа (ТСП. = 1800 °C) в випадку cBN—Мо2C—(Al) системи (рис. 4, а). Подальше підвищення температури призво- дить до характерних для багатьох cBN-композитів (групи BL) явищ відпалу структурних Рис. 3. Залежність щільності (а) та модуля Юнга (б) від температури спікання Рис. 4. Залежність твердості (а) та тріщиностійкості (б) від температури спікання 44 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 9 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля дефектів як у кубічному нітриді бору так і в карбідній складовій, накопиченню продуктів хімічної реакції між компонентами та послабленню структури в цілому. Все відображаєть- ся на зменшенні твердості кераміки, однак на величину не більше 15—20 % та не має об- вального характеру як у випадку зворотного фазового переходу cBN ⇒ hBN. Тріщиностій- кість, яка в даному випадку виміряна за довжиною радіальних тріщин, одночасно із твер- дістю методом індентування, показує зростання до ТСП. ∼2100 °C досягаючи значень в 6—7 МПа ⋅ м1/2, в той час як кераміка, отримана при більш високих температурах, стає де- далі крихкою внаслідок аналогічних субструктурних змін щодо твердості матеріалу. За- галом даний тип матеріалів характеризується помірною тріщиностійкістю та достатньою твердістю, що дозволяє успішно застосовувати його при металообробці сталей різних марок. Аналізуючи тестові лабораторні випробування отриманих композитів на прикладі високошвидкісної чистової обробки нержавіючої сталі AISI 316L (швидкість різання vc = 300 м/хв, подачі f = 0,15 мм/об, глибині різання ap = 0,5 мм, час 300 с) було встановле- но наступне: знос ріжучої кромки для двох типів композитів зафіксовано в діапазоні 60—90 мкм в залежності від ТСП., а зразки після випробувань не втрачали своєї цілісності. Найменші показники зносу (60—70 мкм) характерні для матеріалів, отриманих в системі cBN—HfC—(Al) при ТСП. = 2000÷2200 °C, що робить їх перспективними в металообробній промисловості. Висновки. Процеси НРНТ спікання та хімічної взаємодії компонентів у вибраних сис- темах приводять до формування високоміцних надтвердих матеріалів інструментально- го призначення. Гафнійвмісна система характеризується утворенням незначної частини HfB2 в той час як бориди молібдену в системі cBN—Мо2C—(Al) не зафіксовані. Алюміній здатен утворювати тверді розчини заміщення в карбідних фазах, а також зв’язує зайвий кисень системи в α-Al2O3 захищаючи тим самим окиснення HfC та Мо2C. Оптимальними ТСП., при яких формуються керамоматричні композити із найвищими фізико-технічни- ми характеристиками є 2000—2200 °C, що може бути використано при промисловому впро- вадженні технології. Автори висловлюють подяку канд. фіз.-мат. наук, ст. наук. співробінику фізичного фа- культету КНУ ім. Т.Г. Шевченка Н.М. Білявиній за інтерпретацію результатів рентгенів- ського фазового аналізу та участь в обговоренні результатів. Дослідження виконано в рамках European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme проект Flintstone2020 (грант № 689279). ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. Ning Li, Yong-Jie Chen, Dong-Dong Kong. Wear Mechanism Analysis and Its Effects on the Cutting Performance of PCBN Inserts during Turning of Hardened 42CrMo. Int. J. Precision Engineering and Manufacturing. 2018. 19, № 9, P. 1355—1368. https://doi.org/10.1007/s12541-016-0160-6 2. Davoudinejad A., Noordin M.Y. Effect of cutting edge preparation on tool performance in hard-turning of DF-3 tool steel with ceramic tools. J. Mech. Sci. and Technol. 2014. 28, № 11. P. 4727—4736. https://doi. org/10.1007/s12206-014-1039-9 3. Aslan E., Camuşcu N., Birgören B. Design optimization of cutting parameters when turning hardened AISI 4140 Steel (63HRC) with Al2O3+TiCN mixed ceramic tool. Materials & Design. 2007. 28, № 5. P. 1618— 1622. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2006.02.006 45ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2020. № 9 Створення керамоматричних композитів групи BL на основі cBN та жароміцних карбідів гафнію... 4. Liyao Gu. Critical condition prediction of adiabatic shear fracture in high-speed cutting TA2 alloy. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2018. 94. P. 2981—2991. https://doi.org/10.1007/s00170-017-1104-5 5. Liew Willey, Ngoi B.K.A, Lu Y.G. Wear characteristics of PCBN tools in the ultra-precision machining of stainless steel at low speeds. Wear. 2003. 254(3-4). P. 265—277. https://doi.org/10.1016/S0043- 1648(03)00002-4 6. Bushlya V. et al. 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 7. Bushlya V., Gutnichenko O., Zhou J. et al. 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/10.3103/S1063457617030078 8. Chiou S.Y., Ou S.F., Jang Y.G., and Ou K.L. Research on CBN/TiC composites Part1: Effects of the cBN content and sintering process on the hardness and transverse rupture strength. Ceram. Int. 2013. № 1. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.02.066 9. Benko E., Barr T.L., Hardcastle S., Hoppe E., Bernasik A., and 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 10. Slipchenko K.V., Turkevich V.Z., Slipchenko V.M., Bilyavina N.M. The influence of sintering temperature on phase composition and mechanical properties of сbn-based composites with addition of vanadium compounds. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2019. 41, № 12. P. 1599—1610. 11. Slipchenko K., Petrusha I., Turkevich V., Bushlya V., and Ståhl J.-E. Investigation of the mechanical pro- perties and cutting performance of cBN based cutting tools with Cr3C2 binder phase. Procedia CIRP. In Procedia CIRP, 2018. № 3. 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. https://doi.org/10.3103/ S1063457618030115 13. Benko E., Wyczesany A., Bernasik A., Barr T.L., and Hoope E. CBN-Cr/Cr3C2 composite materials: Che- mical equilibria, XPS investigations. Ceram. Int. 2000. 26, № 5, P. 545—550. https://doi.org/10.1016/S0272- 8842(99)00093-0 Надійшло до редакції 27.05.2020 REFERENCES 1. Ning, Li, Yong-Jie, Chen, Dong-Dong, Kong. (2018). Wear Mechanism Analysis and Its Effects on the Cutting Performance of PCBN Inserts during Turning of Hardened 42CrMo. Int. J. Precision Engineering and Manufacturing. 19, No. 9, P. 1355-1368. https://doi.org/10.1007/s12541-016-0160-6 2. Davoudinejad, A. & Noordin, M. Y. (2014). Effect of cutting edge preparation on tool performance in hard- turning of DF-3 tool steel with ceramic tools. J. Mech. Sci. and Technol., 28, No. 11, pp. 4727-4736. https:// doi.org/10.1007/s12206-014-1039-9 3. Aslan, E., Camuşcu, N., & Birgören, B. (2007). Design optimization of cutting parameters when turning hardened AISI 4140 steel (63HRC) with Al2O3+TiCN mixed ceramic tool. Materials & Design, 28, No. 5, pp. 1618-1622. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2006.02.006 4. Liyao, Gu. (2018). Critical condition prediction of adiabatic shear fracture in high-speed cutting TA2 alloy. Int J Adv Manuf Technol, 94, pp. 2981-2991. https://doi.org/10.1007/s00170-017-1104-5 5. Willey, Liew, Ngoi, B.K.A. & Lu, Y. G. (2003). Wear characteristics of PCBN tools in the ultra-preci- sion machining of stainless steel at low speeds. Wear, 254, No. 3-4, pp. 265-277. https://doi.org/10.1016/ S0043-1648(03)00002-4 6. Bushlya, V. et al. (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 7. Bushlya, V., Gutnichenko, O., Zhou, J., Avdovic, P. at al. (2013). Effects of cutting speed when turning 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/10.3103/S1063457617030078 46 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2020. № 9 Д.А. Стратійчук, В.З. Туркевич, К.В. Сліпченко, В.М. Бушля 8. 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., No. 1. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.02.066 9. 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 10. Slipchenko K.V., Turkevich V.Z., Slipchenko V.M., Bilyavina N.M. (2019). The influence of sintering temperature on phase composition and mechanical properties of сbn-based composites with addition of vanadium com pounds. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 41, No. 12. P. 1599—1610. 11. Slipchenko, K., Petrusha, I., Turkevich, V., Bushlya, V. & Ståhl, J.-E. (2018). Investigation of the mechanical properties and cutting performance of cBN based cutting tools with Cr3C2 binder phase. Procedia CIRP, in Procedia CIRP, No. 3. 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. https://doi.org / 10.3103/S1063457618030115 13. 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 Received 27.05.2020 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 THE CREATION OF CERAMIC-MATRIX COMPOSITES OF THE BL GROUP BASED ON cBN AND HIGH-TEMPERATURE HAFNIUM OR MOLYBDENUM CARBIDES Using the HPHT technology in the temperature interval 1600-2400 °C, the processes of formation of super- hard ceramic-matrix composites in the cBN-HfC-(Al) and cBN-Мо2C-(Al) systems have been investigated. With the original ratio of components cBN:carbide:(Al) being 60:35:5 vol. %, using micropowders with a grain size of 1-10 μm, it has been shown that, starting from TSINT = 1600 °C and higher, there is a consolidation of structural constituents in the systems with the formation of strong interphase and interparticle contacts such as cBN-cBN, cBN-carbide, and carbide-carbide. The grain structure in the entire sintering temperature range does not undergo significant changes and remains fine-grained with clear interphase boundaries. The cBN— HfC—(Al) system is characterized by the formation of the boride phase — HfB2, whereas the formation of monocarbide — MoC has been observed for the cBN-Мо2C-(Al) system. Aluminum, which is present in these systems in small quantities (5 vol. %), plays the role of a residual oxygen getter and simultaneously lowers the activation barrier, making the sintering process partially liquid-phase. Young’s modulus, as well as the hardness, shows a typical dependence on TSINT maximum at 1800—2000 °C. Laboratory tests in turning AISI 316L stain- less steel (cutting speed vc = 300 m/min, feed f = 0.15 mm/rev, cutting depth ap = 0.5 mm, time 300 seconds) have demonstrated the cutting edge wear for two types of composites in the range of 60—90 mkm, which indicates that this type of materials is promising as a metalworking tool. Keywords: high pressures, cBN, superhard materials, molybdenum carbide, hafnium carbide, cutting ceramics.

Ähnliche Einträge