Интенсивное электроспекание металлических матриц алмазосодержащих композитов в присутствии жидкой фазы

Исследовано влияние наличия жидкой фазы на кинетику интенсивного электроспекания и механические свойства ряда никелевых сплавов. Показано, что использование Sn в качестве активатора жидкой фазы позволяет производить алмазосодержаще композиты на металлической связке более высокой прочности и твердост...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2011
Автор: Шмегера, Р.С.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2011
Назва видання:Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/63295
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:Интенсивное электроспекание металлических матриц алмазосодержащих композитов в присутствии жидкой фазы / Р.С. Шмегера // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2011. — Вип. 14. — С. 507-510. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-63295
record_format dspace
spelling irk-123456789-632952014-06-01T03:02:13Z Интенсивное электроспекание металлических матриц алмазосодержащих композитов в присутствии жидкой фазы Шмегера, Р.С. Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности Исследовано влияние наличия жидкой фазы на кинетику интенсивного электроспекания и механические свойства ряда никелевых сплавов. Показано, что использование Sn в качестве активатора жидкой фазы позволяет производить алмазосодержаще композиты на металлической связке более высокой прочности и твердости в сравнении с обычным твердофазным электроспеканием. Досліджено вплив наявності рідкої фази на кінетику інтенсивного електроспекання і механічні властивості ряду нікелевих сплавів. Показано, що використання Sn в якості активатора рідкої фази дозволяє виробляти алмазовмістні композити на металевій зв’язці більш високої міцності і твердості у порівнянні зі звичайним твердофазним електроспеканням. An effect of liquid metal phase on the kinetics of intensive electrosintering and the mechanical properties of the obtained by this way nickel-based alloys are investigated. It is shown that Sn being the liquid phase activator enables fabrication of the diamond composite with metal matrix possessing substantially improved strength and hardness as compared with that produced by conventional solid phase electrosintering. 2011 Article Интенсивное электроспекание металлических матриц алмазосодержащих композитов в присутствии жидкой фазы / Р.С. Шмегера // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2011. — Вип. 14. — С. 507-510. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2223-3938 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/63295 621.922.079 ru Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
spellingShingle Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
Шмегера, Р.С.
Интенсивное электроспекание металлических матриц алмазосодержащих композитов в присутствии жидкой фазы
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
description Исследовано влияние наличия жидкой фазы на кинетику интенсивного электроспекания и механические свойства ряда никелевых сплавов. Показано, что использование Sn в качестве активатора жидкой фазы позволяет производить алмазосодержаще композиты на металлической связке более высокой прочности и твердости в сравнении с обычным твердофазным электроспеканием.
format Article
author Шмегера, Р.С.
author_facet Шмегера, Р.С.
author_sort Шмегера, Р.С.
title Интенсивное электроспекание металлических матриц алмазосодержащих композитов в присутствии жидкой фазы
title_short Интенсивное электроспекание металлических матриц алмазосодержащих композитов в присутствии жидкой фазы
title_full Интенсивное электроспекание металлических матриц алмазосодержащих композитов в присутствии жидкой фазы
title_fullStr Интенсивное электроспекание металлических матриц алмазосодержащих композитов в присутствии жидкой фазы
title_full_unstemmed Интенсивное электроспекание металлических матриц алмазосодержащих композитов в присутствии жидкой фазы
title_sort интенсивное электроспекание металлических матриц алмазосодержащих композитов в присутствии жидкой фазы
publisher Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
publishDate 2011
topic_facet Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/63295
citation_txt Интенсивное электроспекание металлических матриц алмазосодержащих композитов в присутствии жидкой фазы / Р.С. Шмегера // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2011. — Вип. 14. — С. 507-510. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения
work_keys_str_mv AT šmegerars intensivnoeélektrospekaniemetalličeskihmatricalmazosoderžaŝihkompozitovvprisutstviižidkojfazy
first_indexed 2025-07-05T14:06:33Z
last_indexed 2025-07-05T14:06:33Z
_version_ 1836816157735124992
fulltext РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 507 таты анализа экспериментальных зависимостей скорости изнашивания инструментов, оснащенных АКП и АТП, от скорости резания при точении покрытия с Al2O3 показывают, что при скорости реза- ния до 0,9 м/с оба инструмента ведут себя аналогично. При скорости резания до 1,2 м/с более работо- способен инструмент, оснащенный АКП. Инструменты, оснащенные ПКА, показали высокую работоспособность при обработке деталей, изготовленных из силицированного графита. Высокие производительность обработки и стойкость ин- струмента обеспечиваются при режимах резания V = 0,8–1,0 м/с; S = 0,14–0,17 мм/об; t = 0,1–0,25 мм. Детали из углеграфита обрабатывают алмазным инструментом со скоростью резания 3,3–5,0 м/с. Приведенные примеры показывают высокую эффективность и широкие возможности инстру- ментов, разработанных и выпускаемых в ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, при точении деталей из широкой гаммы труднообрабатываемых материалов. В статті показані переваги інструментальних полікристалічних матеріалів на основі алмазу і кубічного нітриду бору, які використовуються в різцях для точіння важкооброблюваних матеріалів. Наведено оптимальні режими різання вибілених і легованих чавунів, загартованих і мар- ганцевистих сталей твердістю 60–63 НRC, напилених газополуменевих та наплавлених покриттів, а також кольорових сплавів і неметалічних матеріалів, таких як двоокис алюмінію, силицированного графіт, полімерні композити, зміцнені вуглецевим чи скловолокном. Ключові слова: алмаз, кубічний нітрид бору, полікристалічний матеріал, покриття. The advantages of Diamond and cubic Boron Nitride Super-Hard Polycrystalline Materials as tool goods for equipping of cutters for hard-to-machine materials turning are described in the article. The opti- mized cutting regimes of turning of alloyed cast iron, hardened and Manganese steels of 60–63 НRC hard- ness, electric welded and plasma-flame spattered coatings as well as color alloys and non-metallic alumina, silicon graphite, reinforced with glass and carbon fibers composites and polymer materials are presented. Key words: diamond, cubic boron nitride,polycrystalline materials, coatings. Поступила 07.06.11 УДК 621.922.079 Р. С. Шмегера Институт сверхтвердых материалов им. В. Н.Бакуля НАН Украины, г. Киев ИНТЕНСИВНОЕ ЭЛЕКТРОСПЕКАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТРИЦ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИТОВ В ПРИСУТСТВИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ Исследовано влияние наличия жидкой фазы на кинетику интенсивного электроспекания и механические свойства ряда никелевых сплавов. Показано, что использование Sn в качестве активатора жидкой фазы позволяет производить алмазосодержаще композиты на металлической связке более высокой прочности и твердости в сравнении с обычным твердофазным электроспеканием. Ключевые слова: алмазный композит, металлическая связка, электроспекание. Традиционными методами производства алмазосодержащих композитов на металлической связке являются горячее прессование, горячее изостатическое прессование и свободное спекание (напр., [1, 2]). Указанные методы имеют один общий недостаток – длительное высокотемпературное воздействие на кристаллы алмаза, вызывающее их графитизацию и снижение прочности. Более пер- спективным для создания высокоэффективных алмазосодержащих композитов представляется метод интенсивного электроспекания (ИЭС), состоящий в быстром (в течение нескольких секунд) нагревании образца путем прямого пропускания электрического тока с одновременным приложением давления до 300 МПа. Преимущество данного метода состоит в том, что он позволяет получать высокопрочные композиты с низкой остаточной пористостью при сохранении исходных свойств алмазных частиц [3]. Одним из основных факторов, определяющим эксплуатационные характеристики алмазного композита, относится структурное состояние и обусловленные им физико-механические свойства Выпуск 14. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 508 связки (обычно металла или сплава нескольких металлов). Традиционно в качестве металлического связующего в алмазосодержащих композитах используют медь, кобальт и сплавы на их основе. Не- высокая прочность связок на основе меди не позволяет использовать потенциал высокопрочных ма- рок алмазных порошков. Кобальт в этом отношении более эффективен, но также имеет недостатки, в частности, высокие стоимость и скорость окисления при хранении; последнее делает затруднитель- ным спекание без восстановительной атмосферы. Вероятно, наиболее подходящим с технологиче- ской точки зрения является никель, однако высокая температура его плавления (1453 °С) затрудняет получение беспористого высокопрочного композита методом электроспекания, поскольку в этом случае оно происходит в твердой фазе. Снизить температуру спекания можно добавлением более легкоплавких компонентов, которые активно взаимодействуют с никелем, образуя жидкую фазу. Из- вестно, что спекание в присутствии жидкой фазы позволяет значительно уменьшить остаточную по- ристость и улучшить технологические свойства композита [4]. Цель настоящей работы является доказательство, путем исследования влияния жидкой фазы на кинетику электроспекания и механические свойства никелевых сплавов, возможности получения алмазосодержащих композитов с высокопрочной металлической матрицей при температуре до 850 °С методом интенсивного электроспекания. Методика и техника эксперимента Экспериментальная часть роботы включала (а) получение цилиндрических образцов методом ИЭС, (б) их металлографическое исследование, (в) измерение их микротвердости и (д) определение прочности на срез. Для изготовления образцов использовались порошки никеля ПНЕ-1, меди ПМС-1 и олова ПО-1. Исходные металлические порошки смешивались в барабанной мельнице в присутствии шаров из твердого сплава ВК6 в режиме сухого размола в течение 8 ч. Было изготовлено пять образцов различного состава: 1 – Ni–100 %; 2 – Ni–90 %, Cu–10 %; 3 – Ni–88,5 %, Cu–10 %, Sn–1,5 %; 4 – Ni–87 %, Cu–10 %, Sn–3 %; 5 – Ni–85 %, Cu–10 %, Sn–5 %. Брикеты порошка массой 4 г формировались ме- тодом одноосного двустороннего холодного прессования в закрытой стальной пресс-форме под давле- нием 300 МПа. Начальная высота, пористость брикетов составляла 8 мм, 40 %, соответственно. Интенсивное электроспекание образцов осуществляли прямым пропусканием тока промыш- ленной частоты плотностью до 25 А/мм2 через образец при одновременном приложении к нему дав- ления 150 МПа. Характерное время спекания образцов составляло 12–15 с, при этом температура спекания не превышала 850 °С. Как известно [1], указанное значение является пределом, выше кото- рого деградируют прочностные свойства алмазов. В проведенной серии спеканий усадка составляла 2,0 мм, напряжение холостого хода U0 = 3.0 В. Типичные зависимости силы тока и усадки от продолжительности твердофазного спекания пока- заны на рис. 1 (образцы 1, 2). Аналогичные кривые для процесса электроспекания в присутствии жидкой фазы, наличие которой обеспечивалось добавлением в исходную смесь Sn в количестве от 1,5 до 5 % (образцы 3–5),показаны на рис.2. При спекании образцов с добавками Sn наблюдалось выдав- ливание жидкой фазы через боковую поверхность. 0 5 10 15 0,0 0,5 1,0 С ил а то ка , А Продолжительность спекания, с 0 5 10 15 0,0 0,5 1,0 Ус ад ка , м м Продолжительность спекания, с а б Рис. 1. Зависимость силы тока (а) и усадки (б) от продолжительности твердофазного элек- троспекания РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 509 0 5 10 15 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 С ил а то ка , А Продолжительность спекания, с 0 5 10 15 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Ус ад ка , м м Продолжительность спекания, с а б Рис. 2. Зависимость силы тока (а) и усадки (б) от продолжительности электроспекания в присутствии жидкой фазы Торцевые поверхности спеченных образцов подвергали механической полировке. Микро- структуру образцов исследовали на металлографическом микроскопе. Микротвердость образцов из- мерялась на приборе ПМТ-3 по стандартной для метода Виккерса методике при нагрузках 10 и 200 г. В первом случае нагрузка составляла 10 г, размер отпечатка (5–10мкм) сравним с характерным раз- мером фазовой составляющей, что объясняет наблюдаемый значительный разброс значений твердо- сти. Во втором случае (при нагрузке 200 г) размер отпечатка составлял 50–70 мкм и дает усредненное значение твердости образца. Результаты измерения твердости представлены в таб. 1. Здесь же приве- дены результаты измерения прочности на срез (σср). Для ее определения использовалось специально изготовленное устройство, работающее по типу гильотины и совмещенное с измерительным прибо- ром (датчиком силы). Напряжение среза определялось по формуле σср = F/S, где F – приложенное усилие, S – площадь поперечного сечения образца. Микротвердость и прочность на срез спеченных образцов № Состав образца HV (0,01), ГПа HV (0,2), ГПа σср , МПа 1 Ni 1,4–1,8 1,8 125 2 Ni–90% Cu–10% 0,4–1,8 1,6 170 3 Ni–88,5%, Cu–10%, Sn–1,5% 0,9–2,4 1,9 190 4 Ni–87%, Cu–10%, Sn–3% 1,5–3,6 2,2 320 5 Ni–85%, Cu–10%, Sn–5% 1,5–4,0 2,8 380 Результаты и их обсуждение Сравнительный анализ зависимости силы тока от времени и кинетики усадки при твердофазном электроспекании (образцы 1–2, на рис. 1) и спекании в присутствии жидкой фазы (образцы 3–5, на рис. 2) указывает на различие физических механизмов формирования структуры. Наличие олова в смеси обеспечи- вает появление жидкой фазы уже на начальных стадиях процесса спекания, что значительно повышает про- водимость образца в первую секунду спекания. Это следует из сравнения амплитуд силы тока при твердо- фазном спекании (см. рис. 1) и спекании в присутствии жидкой фазы (см. рис. 2). Сравнение этих данных показывает, что присутствие жидкой фазы и повышение амплитуды силы тока приводит к существенному (на 50 %) повышению скорости усадки. При высокой скорости нагревания и охлаждения, а также действии достаточно высокого для жидкофазного спекания давления образуется структура с особыми свойствами. В частности, наличие давления способствует более интенсивному распространению жидкой фазы, лучшему смешиванию и более однородному распределению по объему компонентов сплава. Так, образец 1 представляет собой однофазную структуру с неоднородным распределением микротвердости по площади шлифа и низкой прочностью на срез (см.табл.). Также для этого образца наблюдались микротрещины в области отпечатка даже при нагрузке 10 г. Указанные особенности структуры и механических свойств объясняются высокими внутренними остаточными напряжениями и несовершенством межчастичных границ. Выпуск 14. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ 510 Образец 2 представляет собой никелевую матрицу с относительно равномерно распределенны- ми включениями меди с четко очерченными границами. Наличие меди является причиной незначи- тельного снижения твердости образца, при этом прочность на срез несколько повыселась в сравнении с однофазным образцом 1. Снижение микротвердости свидетельствует о незначительном твердофазном взаимодействии в системе Сu–Ni при температуре спекания, а повышение прочности на срез, вероятно, связано со снижением внутренних напряжений за счет высокопластичных включений меди. Образец 3 содержащий 1,5 % Sn, характеризуется наличием трех фаз. Повышение микротвер- дости при нагрузке 200 г. и рост прочности на срез и значительное уменьшение включений чистой меди на поверхности шлифа свидетельствует об активном химическом взаимодействии Sn с Ni–Cu матрицей. Следует также отметить, что при испытании на микротвердость при нагрузке 10 г в образ- це 3 наблюдаются изолированные твердые включения, которые свидетельствуют об образовании интерметаллидной фазы. Повышение содержания олова до 3 % (образец 4) существенно изменяет структуру и свойства сплава. Практически полностью отсутствуют медные включения, наблюдается повышение микротвердо- сти, значительно повышается прочность на срез, а также появляется большое количество твердых интер- металлидных включений. Повышение концентрации до 5 % Sn (образец 5) приводит к дальнейшему по- вышению микротвердости и прочности. При этом сплав представляет собой отдельные частицы никеля размером 10–20 мкм, окруженные расплавом Cu–Sn–Ni с твердыми интерметаллидными включениями. Выводы Использование метода интенсивного электроспекания системы Cu–Sn–Ni с активатором жид- кой фазы позволяет получать металлические связки с значительно повышенными (в сравнении с твердофазным электроспеканием) механическими свойствами. Технологические параметры процесса, в частности температура и время спекания находятся ниже порога деградации прочностных свойств синтетических алмазов, поэтому метод можно применять для получения высококачественных алма- зосодержащих композитов на металлической связке. Спекание в присутствии жидкой фазы позволяет также снять внутренние напряжения в объеме изделия, вызванные приложенным давлением. Кроме всего прочего, достаточно высокое давление при наличии жидкой фазы способствует образованию на поверхности образца легкоплавкой оболочки, препятствующей его окислению. Таким образом, методом интенсивного электроспекания при температуре ниже 850 °С полу- чен прочный износостойкий никелевый сплав с удовлетворительными пластическими свойствами, который можно использовать в качестве матрицы алмазосодержащих композиционных материалов. Досліджено вплив наявності рідкої фази на кінетику інтенсивного електроспекання і механі- чні властивості ряду нікелевих сплавів. Показано, що використання Sn в якості активатора рідкої фази дозволяє виробляти алмазовмістні композити на металевій зв’язці більш високої міцності і твердості у порівнянні зі звичайним твердофазним електроспеканням. Ключові слова: алмазний композит, металева зв'язка, електроспекання. An effect of liquid metal phase on the kinetics of intensive electrosintering and the mechanical proper- ties of the obtained by this way nickel-based alloys are investigated. It is shown that Sn being the liquid phase activator enables fabrication of the diamond composite with metal matrix possessing substantially improved strength and hardness as compared with that produced by conventional solid phase electrosintering. Key words: diamond composite, metal matrix, electrosintering. Литература 1. Cверхтвердые материалы. Получение и применение: (в 6 т.) / Под общ. Ред. Н.В. Новикова. Т. 3. Композиционные инструментальные материалы. – К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Ук- раины, 2005. – 280 с. 2. Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Основы создания алмазосодержащих компо- зиционных материалов для породоразрушающих инструментов / Под ред. Н.В. Новикова. – К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 2008. – 456 с. 3. Майстренко А.Л., Иванов С.А., Переяслов В.П., Волошин М.Н. Интенсивное электроспекание алмазосодержащих композиционных материалов // Сверхтвердые материалы. – 2000. – №5. – С. 39–45. 4. Скороход В.В. Порошковые материалы. К.: Техника, 1982. –168с. Поступила 30.05.11