ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ім. І.М. ФРАНЦЕВИЧА
ВОЛКОГОН ВОЛОДИМИР МИХАЙЛОВИЧ
УДК 661.65:661.55-762.4.047:539.378.6
ФІЗИКО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ ОТРИМАННЯ ТА УПРАВЛІННЯ ФОРМУВАННЯМ ВЛАСТИВОСТЕЙ ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ ПОЛІКРИСТАЛІЧНИХ НАДТВЕРДИХ
МАТЕРІАЛІВ З ВЮРЦИТНОГО НІТРИДУ БОРА
Спеціальність: 05.02.01 – матеріалознавство
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ – 2004
Дисертація
є рукопис
Робота виконана
в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України
Науковий консультант:
член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор
Курдюмов Олександр Вячеславович,
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України, завідувач відділу структурних досліджень керамічних та надтвердих матеріалів
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, старший науковий співробітник Беженар Микола Павлович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, провідний науковий співробітник відділу технології синтезу і спікання надтвердих матеріалів при високих статичних тисках
доктор технічних наук, професор Грабченко Анатолій Іванович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, завідувач кафедри “Різання матеріалів і ріжучі інструменти”
доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Маслюк Віталій Арсенійович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу зносостійких та корозійностійких порошкових конструкційних матеріалів
Провідна
установа Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, кафедра матеріалознавства, м. Харків.
Захист відбудеться "22" березня 2004 р. о 14 год. На засіданні Спеціалізованої вченої ради Д26.207.03 при Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Кржижанівського, 3.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Кржижанівського, 3.
Автореферат розісланий "6" лютого 2004 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради Д26.207.03
доктор технічних наук Р.В. Мінакова
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність проблеми. Стан та рівень розвитку технології обробки різних матеріалів є одним з визначальних факторів технічного прогресу та економічного розвитку. Створення нових конструкційних матеріалів викликає появу нових інструментальних матеріалів. Вирішення проблеми отримання щільних фаз нітриду бора та застосування його в інструменті дало можливість значно підвищити продуктивність праці та покращити якість металообробки. Полікристалічні надтверді матеріали (ПНТМ) на основі нітриду бора займають одне з провідних місць серед інших інструментальних матеріалів, що обумовлює постійне зростання обсягів його виробництва в промислово розвинутих країнах. Найбільш ефективним є застосування ПНТМ з нітриду бора при обробці важкооброблюваних матеріалів, сталей і сплавів на основі заліза, різних зносостійких наплавок і т.і. Великий попит в промисловості на інструмент з ПНТМ на основі нітриду бора визначає актуальність науково-дослідних та технологічних робіт спрямованих на створення нових ПНТМ і технологій їх отримання. Підтвердженням цьому є створення широкого спектру інструментальних матеріалів з нітриду бора таких як гексаніт-Р, киборіт, гетероніт (Україна), ПТНБ, ельбор-Р, композит-05 (Росія), белбор (Білорусь); а також амборит, суміборон, вюрцин та інші, створені провідними фірмами США, Великобританії та Японії.
На даний час детального вивчення та широкого розповсюдження особливо заслуговують надтверді матеріали, які характеризуються насамперед значною універсальністю властивостей. Цим вимогам відповідають матеріали на основі вюрцитного нітриду бора (BNв), які однаково успішно можуть працювати при обробці кольорових та чорних металів в режимі гладкого точіння та в умовах високих ударних навантажень. Це гетерофазні матеріали, фізико-механічні та експлуатаційні характеристики яких залежать від співвідношення щільних фаз нітриду бора – сфалеритної (BNсф) та BNв, а також від вмісту графітоподібної його модифікації (BNг). Фазовий склад їх визначається умовами отримання, які включають спікання дисперсних порошків (розміром 0,05-3,0мкм) метастабільної вюрцитоподібної модифікації нітриду бора при високих тисках і температурах. Саме дисперсність вихідних порошків BNв є причиною ускладнення їх пресування до потрібної щільності зразків перед спіканням, що і обумовлює виникнення BNг на поверхні пор в результаті зворотнього фазового переходу BNвBNг.
Запобігти цьому можна створивши відповідні умови навантаження пористого тіла з BNв перед спіканням, що, в свою чергу, може вплинути на хід фазових та структурних перетворень в процесі гарячого пресування матеріалу, або шляхом отримання високої вихідної щільності чи шляхом введення в вихідні порошки BNв домішок, які взаємодіють чи розчинюються в BN. Саме ця концепція лежить в основі виконаних в даній роботі досліджень, спрямованих на створення матеріалів із вюрцитної модифікації нітриду бора з високим рівнем фізико-механічних та експлуатаційних властивостей.
При виконанні даної дисертаційної роботи автор використав великий досвід в області матеріалознавства нітриду бора, який накопичено в першу чергу в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України (роботи І.М. Францевича, О.В. Курдюмова, О.М. Пилянкевича, Г.С. Олійник, О.М. Григор’єва, В.Ф. Бритуна, Г.Г. Карюка, А.В. Бочко, С.С. Джамарова, В.В. Яроша та інш.), в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України (роботи М.В. Новикова, О.О. Шульженка, І.А. Петруши, М.П. Беженара, В.Л. Соложенка, В.З.Туркевича, О.М. Соколова та ін.), а також у ВНДІАШ (м.Ленінград, Росія), де виконано значний обсяг досліджень особливостей кінетики фазових перетворень при спіканні вюрцитного нітриду бора в умовах високих тисків (роботи В.А. Песіна, Л.І.Фельдгуна, Н.М. Ткаченко).
Крім того, треба відзначити роботи по отриманню та дослідженню властивостей матеріалів на основі BNв, які проводяться науковими лабораторіями провідних закордонних фірм, таких як “Де Бірс”, “Дженерал електрик”, “Сумітомо Електрик”.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. В Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України комплексні дослідження з питань отримання інструментальних матеріалів з вюрцитного нітриду бора та можливості управління процесами формування їх фізико-механічних властивостей виконувались згідно Державних науково-технічних програм 0.16.08 (Постанова Держплану СРСР та ДК НТ СРСР №472/ 248 від 12.12.80р.) та 5.2.6 “Виробництво інструментальних матеріалів, виготовлених на їх основі інструментів і оснастки для машинобудування України” (Постанова №5 КНТП України від 28.02.92 р.) в межах наступних тем та проектів: тема 016.08.01.04 “Розробити та впровадити технологічний процес виготовлення крупних та багатогранних двошарових пластин з робочим шаром з НТМ на основі вюрцитоподібного нітриду бора” (№ДР 81081157), темі 1.3.2.1 “Розробка фізичних основ управління комплексом механічних та експлуатаційних властивостей полікристалічних матеріалів” за Постановою Президії АН УРСР №474 від 27.12.85р. (№ДР 06067101.86.0), темі 1.6.2.48 “Розвиток фізичних принципів управління процесами виникнення фаз високого тиску та спікання матеріалів на їх основі” за Постановою Бюро ВФТПМ НАН України від 11.01.91 р. протокол №2 (№ ДР 01.9.10.024145), темі 5.43.07/091-92 (04.07.08/001К-95) “Надтверді матеріали та інструмент на їх основі” за Постановою Національної Ради по науці та технології України при КНТП від 6.04.92 р. протокол №6 (№ ДР 01.96U 02 3338), темі 1.6.2.4-02 “Дослідження впливу попередньої деформаційної обробки порошків вюрцитного нітриду бора на процеси спікання і структуроутворення та розробка технології отримання полікристалічних надтвердих матеріалів з підвищеними фізико-механічними властивостями” за Постановою Бюро ВФТПМ НАН України №11 від 2.07.02 р. та темі Ц/19-02 “Нові процеси синтезу фаз високого тиску та їх використання для створення високоефективного інструменту різного призначення” за Постановою Бюро ВФТПМ НАН України №3 від 5.02.02 р.
Ці дослідження складають основу дисертації автор якої на протязі ряду років є відповідальним виконавцем та науковим керівником згаданих робіт.
Мета і завдання досліджень. Метою роботи було вирішення науково-практичної проблеми в галузі матеріалознавства – розробці нових видів композиційних полікристалічних надтвердих матеріалів для високоефективного ріжучого і шліфувального інструменту та одержанні великорозмірних полікристалів із BNв з підвищеними фізико-механічними та експлуатаційними характеристиками на основі досліджень закономірностей фазових та структурних перетворень в вюрцитному нітриді бора під дією холодного деформування при наявності напружень зсуву, а також при гарячому пресуванні в умовах високих тисків без або в присутності домішок.
Основними завданнями досліджень відповідно до мети були:
1.
Дослідити особливості процесу деформування порошків вюрцитного нітриду бора прокаткою та вплив деформування на структурний стан, фазовий та гранулометричний склад BNв.
2.
Вивчити баротермічні умови та кінетику фазових перетворень при високих статичних тисках в вюрцитному нітриді бора після попередньої деформаційної обробки його різними способами.
3.
Вивчити вплив домішок до порошку BNв на процеси рекристалізації при спіканні в умовах високих тисків та температур, а також фізико-механічні характеристики спечених матеріалів.
4.
Розробити нові види композиційних полікристалічних надтвердих матеріалів, які можуть використовуватись для високоефективного ріжучого та шліфувального інструменту.
5.
Визначити найбільш важливі, з точки зору практичного застосування, фізико-механічні і експлуатаційні характеристики полікристалів, отриманих з порошків BNв попередньо підданих деформаційній обробці прокаткою.
Об’єктом дослідження є процеси фазових перетворень в вюрцитному нітриді бора за різних умов його деформування, які відповідають за формування дисперсної зернової структури і забезпечують полікристалічному матеріалу високі значення механічних властивостей.
Науково-практичною проблемою вирішеною в дисертаційній роботі являється створення широкого спектру полікристалічних надтвердих матеріалів інструментального призначення з вюрцитного нітриду бора та управління формуванням їх властивостей. Розв’язання цієї наукової проблеми здійснювалось шляхом дослідження фазових і структурних перетворень в вюрцитному нітриді бору під дією деформаційної обробки з напруженнями зсуву та в умовах високих тисків і температур без і в присутності твердих полікристалічних домішок, а також вивчення природи фазових перетворень в залежності від характеристик досліджуваної системи (вид деформування, характеристика домішок). Прикладна сторона роботи полягає в розробці нових видів композиційних полікристалічних надтвердих матеріалів для ріжучого та шліфувального інструменту, а також в отриманні великорозмірних полікристалів на основі BNв з підвищеними механічними та експлуатаційними характеристиками для їх застосування при обробці великогабаритних деталей з важкооброблюваних матеріалів групи заліза.
Методи досліджень. Експериментальні роботи пов’язані з використанням високих статичних тисків (холодна деформаційна обробка, гаряче пресування) здійснювались за допомогою твердофазних апаратів високого тиску (АВТ) типу профільованих ковадел із заглибленням різної форми – “тороїд” або “чечевиця”. Для деформування вихідних порошків BNв, в умовах наявності напружень зсуву застосовували прокатний стан з горизонтальним розміщенням валків.
Фазовий склад, наявність текстури, особливості мікроструктури вихідних порошків BNв та спечених зразків досліджували за допомогою методів рентгенівської дифрактометрії в поєднанні з методами просвічуючої електронної мікроскопії та мікродифракції.
Для вивчення фізико-механічних властивостей використовували метод мікроіндентування, а також акустичний метод контролю із застосуванням ультразвукових хвиль. Оцінку ріжучих властивостей матеріалів проводили за стандартними методиками.
Наукова новизна роботи полягає в тому, що вперше вивчено закономірності фазових та структурних перетворень в вюрцитному нітриді бору під дією різних видів деформування при наявності напружень зсуву, а також при наступному їх спіканні в умовах високих тисків та температур без і в присутності різних домішок.
Новизна результатів виконаних досліджень відображена наступними положеннями, встановленими вперше:
1.
Розвинуто уявлення про механізм фазового перетворення в процесі отримання полікристалічних надтвердих матеріалів з вюрцитного нітриду бора в умовах високих тисків та температур. Механізм фазового переходу BNвBNсф визначається структурним станом та характером об’ємно-напруженого стану часток порошку BNв, який залежить від умов їх спікання при навантаженні в апараті високого тиску і впливає на кінцеву структуру та характеристики ПНТМ:
-
при наявності напружень зсуву, обумовлених негідростатичністю стиску часток порошку BNв із-за присутності крупних часток наповнювача відбувається зсув без повного одномірного розупорядкування структури вюрциту і процес перетворення BNвBNсф протікає кристалоорієнтовано шляхом утворення політипних дефектів пакування в базисних шарах ґратки;
-
попередня деформація порошків BNв в умовах напружень зсуву сприяє деформаційному перетворенню вюрцит – сфалерит, яке здійснюється шляхом пошарової перебудови за рахунок розмноження базисних дефектів пакування і реалізується орієнтаційним співвідношенням: (111)сф (0001)в, [110]сф [
]в. Доля дифузійних процесів при цьому незначна.
2.
Прокатка порошків BNв з ущільненням супроводжується подрібненням полікристалічних часток і монокристалічних зерен та пластичною деформацією, що приводить до зміни їх структури. Руйнування часток проходить по базисній та призматичній площинах. Деформація здійснюється пластичними зсувами і поворотами областей часток відносно вісей
та
, які лежать в площині (0001). Розвиток поворотів обумовлює двійникування і виникнення скидів, що сприяє зміні форми та переорієнтації розвиненої базисної поверхні часток. Багаторазова прокатка приводить до зменшення морфологічної текстури, що означає підвищену ізометричність часток після деформаційної обробки та свідчить про більше зчеплення між вихідними зернами BNв в базисній площині або більш високу щільність гранул порошку вюрцитного нітриду бора.
3.
Попередня деформаційна обробка порошків BNв в умовах напружень зсуву (прокатка) забезпечує їм підвищену активність при гарячому пресуванні в умовах високих статичних тисків, яка полягає в зниженні температурного порогу фазового переходу BNвBNсф на 100-200 градусів в залежності від величини напружень в зоні деформації. Цей ефект обумовлено зростанням складової рушійної сили деформаційного фазового перетворення метастабільної вюрцитної фази в стабільну сфалеритну, ініційованого напруженнями зсуву в площинах (0001) часток BNв. Зростання визначається наступними факторами, які сприяють розвитку зсувів в базисних шарах часток:
-
хаотичним розташуванням розвинених поверхонь (0001) пластинчатих часток по відношенню до напрямку прикладання стиску в апараті високого тиску;
-
зміною структурного стану часток після прокатки, а саме, зменшенням їх розміру в розвиненій поверхні, наявністю базисних дефектів пакування, пластичній зміні форми та переорієнтації розвиненої поверхні.
4.
Деформаційна обробка вихідних порошків BNв прокаткою приводить до зміни їх фазового складу внаслідок здійснення міжчасткового зворотнього фазового переходу BNвBNг та внутрішньочасткового перетворення BNвBNсф. Механізм перетворення BNвBNг є зсувним мартенситним.
5.
Присутність у вихідних порошках BNв домішок на основі нітриду кремнію сприяє підвищенню механічних характеристик композиційного матеріалу, обумовленого розчинністю Si3N4 в сфалеритному нітриді бора та утворенням твердого розчину заміщення Si в гратці BNсф, що приводить до зміцнення границь зерен в полікристалічних матеріалах.
6.
Виникнення твердого розчину заміщення Si в гратці BNсф при спіканні в умовах високих тисків і температур вюрцитного нітриду бора в присутності домішок Si3N4, прискорює процес збиральної рекристалізації сфалеритного нітриду бора, що пояснюється існуванням концентраційної неоднорідності твердого розчину, за рахунок чого з’являються мікровикривлення в гратці, які, в свою чергу, стимулюють процеси рекристалізації.
Практичне значення результатів дослідження полягає в наступному:
1.
Суттєво доповнено знання про природу фазових та структурних перетворень при отриманні полікристалічних надтвердих матеріалів з вюрцитного нітриду бора, що дозволило знайти нові методичні підходи та технологічні рішення до створення композиційних ПНТМ на основі BNв з потрібними фізико-механічними характеристиками.
2.
Розроблено технологію гранулювання (технологічна інструкція №037. 25200.09066) порошків вюрцитного нітриду бору прокаткою (А.с. 1623009, М. Кл.2 В01J 3/06, 1990), що дозволило знизити р-Т параметри отримання ПНТМ типу гексаніт-Р та ефективно управляти процесом фазового перетворення BNв при його спіканні (А.с.1603686, М. Кл. С01В 21/06, 1990) і, таким чином, одержувати матеріал з потрібними фізико-механічними характеристиками.
3.
Знайдено технічне рішення одержання композиційних керамічних ПНТМ на основі вюрцитного нітриду бора, армованого полікристалічними твердими домішками на основі інструментального керамічного матеріалу силініту-Р, що отримав назву композит-12 та армованого порошками гексаніту-А різного фазового складу (Пат. 9382 Україна, МПК С01В 21/04, 1996). Матеріали мають високу ефективність при обробці загартованих сталей високої твердості, як в режимі гладкого точіння, так і при наявності динамічних навантажень на ріжучий елемент.
4.
Розроблено спосіб одержання абразивних полікристалічних зерен нітриду бора з підвищеними механічними характеристиками (А.с. 1603684, М.Кл.С01В 21/06, 1990), який полягає в спіканні гранульованої суміші порошків вюрцитного нітриду бора та нітриду кремнію в області термодинамічної стабільності сфалеритного BN. Матеріал ефективний при застосуванні в шліфувальному інструменті для силових режимів шліфування важкооброблюваних сталей, сплавів та зносостійких наплавок.
5.
Знайдено технічне рішення отримання полікристалів на основі BNв діаметром 14 мм, які характеризуються високим ступенем однорідності та рівнем фізико-механічних властивостей, що дало змогу ефективно застосовувати їх при обробці високотвердих залізовуглецевих сталей та сплавів, легованих марганцем, ванадієм, нікелем та хромом.
Реалізація результатів роботи. Технологія гранулювання порошків вюрцит- ного нітриду бора пройшла апробацію та впроваджена на Полтавському заводі штучних алмазів та алмазного інструменту (нині Полтавський алмазний завод). Ріжучий інструмент з ПНТМ на основі BNв (діаметром до 14 мм), розроблений завдяки виконаним в роботі технічним рішенням, пройшов успішні лабораторні (ІПМ НАН України) та промислові випробування (Криворізький завод гірничого обладнання (КЗГО) та ВАТ “Регом” (м. Кривий Ріг)) при обробці деталей гірничо-збагачувального устаткування, виготовлених із високомарганцевої сталі 110Г13Л при наявності ливарної кірки та зовнішнього радіального биття (робота на удар в умовах абразивного зносу). Застосування таких пластин дозволило підвищити продуктивність обробки виробів до 5 разів в порівнянні з мінералокерамікою та досягти експлуатаційної стійкості в 2-3 рази вищої ніж при застосуванні композиційного матеріалу на основі кубічного нітриду бора виробництва фірми “BONAR”. Шліфувальний інструмент на основі абразивних полікристалічних зерен типу гексаніту-А, одержаних у відповідності з запропонованими в роботі технічними рішеннями, пройшов успішні широкі промислові випробування при обробці швидкоріжучих сталей типу Р6М5 (АвтоВАЗ (м. Тольяті), ЗІЛ (м.Москва), ВО “БелавтоМАЗ”, Харківському інструментальному заводі, Київському станкобудівному об’єднанні, Полтавському турбомеханічному заводі та ін.) і показав підвищення продуктивності обробки в порівнянні із електрокорундовими кругами в 2 рази, при цьому стійкість заточеного розробленим абразивним матеріалом ріжучого інструменту збільшилась в 1,25-5 разів за рахунок відсутності “підпалів” на шліфованій поверхні.
Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі наведено результати досліджень, які були виконані при безпосередній участі і під науковим керівництвом автора за останні вісімнадцять років. Постановка задачі дослідження, розробка методології та основних підходів до розв’язання поставленої проблеми, проведення експериментів при високих тисках, ряду експериментів по вивченню особливостей деформування порошків прокаткою, визначення механічних та експлуатаційних характеристик ПНТМ автором виконано самостійно. Крім того, автору належать також дослідження впливу гранулометричного складу порошків BNв на особливості формування мікроструктури спеченого полікристалічного надтвердого матеріалу та його властивості. Особисто автором сформульовано всі основні узагальнюючі положення та висновки дисертаційної роботи. За участю співавторів проведено ряд експериментальних робіт та фізичних досліджень, результати яких відображено в спільних публікаціях.
Спільно з д.т.н. Бочко А.В. і Балан Т.Р. виконано дослідження кінетики утворення графітоподібного нітриду бора при гарячому пресуванні ПНТМ із BNв; з к.т.н. Антонюком В.С. – виконано розрахунки залишкових напружень в BNв в присутності BNг; з к.т.н. Джамаровим С.С. та Сильвестровим В.С. – експериментальні та технологічні роботи при відпрацюванні деяких технологій отримання ПНТМ; к.т.н. Островською Н.Ф. і к.т.н. Аврамчук С.К. – дослідження процесів прокатки BNв; д.ф.-м.н. Олійник Г.С., Громико С.М., к.т.н. ПадерноВ.М., Мартиненко А.М. – структурні дослідження порошків BNв та полікристалічних матеріалів на їх основі; чл.-кор. Курдюмовим О.В. та чл.-кор. Пилянкевичем О.М. – дослідження розчинності Si3N4 в BNсф та їх впливу на процеси рекристалізації; к.т.н. Будяком О.А. – вивчення та розрахунок розподілу температур в АВТ; к.т.н. Виноградовим С.О. – дослідження умов створення тиску в робочому об’ємі АВТ; к.т.н. Запорожцем О.І. – вивчення характеристик полікристалів на основі BNв акустичним методом; з к.ф.-м.н. Косско І.О., д.т.н. Тихонцовим О.М., Бухштейном В.І. – досліджено механізм зносу ПНТМ при різанні; з к.т.н. Коноваловим Н.О., Захаренко П.В., Ярошом В.В. – дослідження ріжучих властивостей ПНТМ із BNв; к.т.н. Арановичем А.О., Таланцевим Л.Л. – експлуатаційні характеристики абразивних матеріалів на основі BNв.
Автор висловлює подяку науковому консультанту зав. відділом 20 ІПМ НАН України чл.-кор. НАН України О.В. Курдюмову за участь у дослідженнях, увагу і підтримку при виконанні робіт, д.ф.-м.н. Олійник Г.С. з якою виконано основний обсяг структурних досліджень; д.т.н. Григор’єву О.М. – за надання допомоги при вивченні механічних властивостей ПНТМ, участі в обговоренні отриманих результатів, д.т.н. Карюку Г.Г. – за корисні дискусії при постановці завдання досліджень та цикл спільних публікацій з тематики дисертації. Автор вважає своїм обов’язком віддати данину пам’яті д.т.н. Катрусу О.О. за консультації та допомогу в організації експериментальних робіт по прокатці.
Апробація результатів роботи. Матеріали, основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались і надруковані в збірках докладів і матеріалів 19 Міжнародних, всесоюзних, республіканських конференцій, симпозіумів, семінарів та нарад: Міжнародній конференції "Надтверді інструментальні матеріали на рубежі тисячоліть: одержання, властивості, застосування (СТИМ-2001)" (4-6 липня 2001 р., Київ), Міжнародних науково-технічних конференціях "Interpartner -99" (1999 р., Алушта) і "Interpartner-2001" (2001р., Алушта), IV Міжнародній науково-методичній конференції "Інтеграція освіти, науки і виробництва" (24-27 травня 2000р., Луцьк), Міжнародних науково-технічних конференціях "Процеси абразивної обробки, абразивні інструменти і матеріали" (1998р., 1999р., 2000р., 2001р., м. Волзький), VIII семінарі з Міжнародною участю "Розробка, виробництво і застосування інструментальних сталей і сплавів" (27-30 жовтня 1998р., Київ), XI Міжнародній науково-технічній конференції МАРИВД "Високі тиски в науці і техніці (1988р., Київ), Всесоюзній конференції "Нові надтверді матеріали, прогресивні технології, їхнє застосування" (1985 р., Канів), Всесоюзній нараді "Застосування високих тисків для одержання нових матеріалів і створення інтенсивних процесів хімічних технологій" (25-27 червня 1986р., Москва), VI Всесоюзному семінарі "Методи одержання, властивості й області застосування нітридів" (жовтень 1988 р., Рига), ХШ (1-3 жовтня 1989 р., Бердянськ) і Х1V (вересень 1991 р., сел. Кацивелі, Кримської обл.) наукових семінарах "Вплив високих тисків на речовину", Російський конференції “Фазовые превращения при высоких давлениях” ФВД – 2002 (20-22 мая 2002 г., Черноголовка), Міжнародній конференції “Наука о материалах на рубеже веков: достижения и вызовы времени” (4-8 листопада 2002р., Київ), IX Міжнародному семінарі “Новое в разработке, производстве и применении инструментальных материалов” (4-8 вересня 2002р., Запоріжжя), Міжнародній конференції “Новейшие технологии в порошковой в металлургии и керамике” (4-12 вересня 2003 р., Київ).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 47 робіт, в тому числі одержано 10 патентів та авторських свідоцтв на винахід. Список 32 основних праць наведено в авторефераті.
Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 365 найменувань та 13 додатків. Повний обсяг роботи складає 339 сторінок машинописного тексту, включаючи 19 таблиць та 76 рисунків.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі розкрито суть і стан наукової проблеми, обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, визначено наукову новизну та практичну цінність одержаних в роботі результатів, показано зв’язок дисертації з науковими програмами. Висвітлено особистий внесок здобувача в роботу, а також приведено відомості про апробацію результатів досліджень та повноту їх викладення в публікаціях.
Перший розділ присвячено детальному аналізу стану та тенденцій розвитку інструментального матеріалознавства полікристалічних надтвердих матеріалів із нітриду бору.
Виконано класифікацію ПНТМ із щільних модифікацій BN згідно з урахуванням фізико-хімічних процесів, що відбуваються при їх отриманні.
Розглянуто особливості структури полікристалічних надтвердих матеріалів з нітриду бору та ії вплив на фізико-механічні та експлуатаційні характеристики. Результати досліджень твердості різних марок ПНТМ в температурному діапазоні 20-1100С, виконаних О.М. Григор’євим із співавторами (1980 р.), свідчать про те, що найбільшу твердість у вказаному інтервалі температур має матеріал з високодисперсною структурою – гексаніт-Р. Твердість гексаніту-Р залежить від співвідношення щільних фаз (BNв і BNсф) нітриду бора в матеріалі а також дисперсності структури, що теоретично добре узгоджується з рівнянням Петча-Холла.
Ці дані знайшли підтвердження при порівняльних випробуваннях експлуатаційних характеристик різних ПНТМ з нітриду бора, проведених М.С.Іпатовим (1980 р.) і Г.Г. Карюком із співавторами (1987 р.), яке дало підстави вважати, що для отримання інструментальних ПНТМ цього класу з найкращими фізико-механічними властивостями найбільш перспективним є вюрцитний нітрид бора.
Процес формування ПНТМ із BNв в умовах високих тисків і температур супроводжується фазовим перетворенням вюрцитної модифікації в сфалеритну (BNвBNсф). Крім того, має місце зворотнє фазове перетворення в графітоподібну модифікацію (BNвBNг), обумовлене наявністю пористості. Присутність BNг в ПНТМ на основі вюрцитного нітриду бора негативно впливає на механічні та експлуатаційні характеристики матеріалу, знижуючи їх.
У даному розділі приведено результати досліджень характеру та механізму зношування ріжучого і шліфувального інструменту з полікристалічних надтвердих матеріалів на основі BN, а також вибрано напрямок досліджень та шляхи вирішення порушеної проблеми.
В другому розділі приведено методики експериментальних робіт і досліджень. Експерименти по вивченню особливостей холодного деформування порошків вюрцитного нітриду бора при різних способах навантаження виконували застосовуючи пресування в умовах високих статичних тисків (ВСТ) та прокатку. Використовували порошки BNв дисперсністю 0,1-5,0мкм, отримані ударно-хвильовим методом в кільцевих пристроях збереження.
Деформування в АВТ. В експериментах застосовували твердофазні апарати високого тиску з силовими твердосплавними елементами типу профільованих ковадел з робочим заглибленням у вигляді сфери і різною конфігурацією периферійної їх частини – “тороїд” і “ластівчин хвіст”.
Схема спорядження контейнера приведена на рис. 1.
Величину тиску в робочому об’ємі АВТ визначали за стандартними методиками. Після навантаження АВТ с порошком BNв до вибраного фіксованого тиску впродовж 5-10 с, АВТ розвантажували, капсулу з деформованим порошком звільняли від оболонки, а отриманий брикет використовували для подальших досліджень.
Рис. 1. Схема спорядження контейнера АВТ для деформування порошків BNв.
1 – контейнер із літографського каменя;
2 – капсула із поліетиленової плівки;
3 – графітові диски; 4 – порошок BNв;
5 – вимірювальна комірка з реперним матеріалом; 6 – мідна фольга.
Деформування прокаткою. Деформаційна обробка порошків BNв прокаткою здійснювалась за допомогою прокатного стану з горизонтальним розміщенням валків діаметром 176 мм.
Кружна швидкість обертання валків варіювалась в межах 0,5-2,6 м/хв. Ширина зони прокату складала 30 мм. Величина деформаційної дії залежала від кількості переходів прокатки порошку BNв при незмінному розміру щілини між валками і збільшувалась від одного переходу до іншого. Після кожного переходу прокат гранулювали протиранням через сито з розміром комірки 1600мкм і знову піддавали прокатці. Максимального тиску в зоні деформації порошку досягали при чотирьохкратній прокатці, який складав при цьому 1,4ГПа. Тиск в зоні деформації визначали за методом месдоз із записом величини його за допомогою вимірювального комплексу. Похибка вимірювання не перевищувала 3-5%. Сумарне зусилля прокатки дорівнювало сумі зусиль для двох месдоз.
Експерименти по гарячому пресуванню порошків BNв в умовах високих статичних тисків здійснювали в АВТ типу “тороїд”. Для забезпечення ідентичних умов при спіканні порошків BNв деформованих різними методами застосовувалась схема спорядження контейнера АВТ, що приведена на рис.2, при якій в одному експерименті використовувались одночасно різні порошки.
Прокатані і пресовані порошки, які отримували при високих статичних тисках, гранулювали, а потім в спеціальній стальній прес-формі формували заготовки у вигляді напівциліндра діаметром 9-15 мм висотою 5-8 мм. Отримані таким чином пресовки із різних порошків BNв, через прокладку із кальки з’єднували в циліндричну заготовку й розміщали в графітовий нагрівач, а далі складали по приведеній схемі. Величину тиску в АВТ визначали на основі градуїровочного графіка в координатах “зусилля преса – тиск в АВТ”. Контрольні виміру тиску проводили через кожні 3-5 дослідів в залежності від ступеню зносу блок-матриць АВТ. Похибка вимірів не перевищувала 3-4%. Спікання здійснювали при температурах 1270-2070К через 200 градусів на протязі 3, 5, 15, 30, 45, 60 і 120 с від моменту включення нагрівання при наперед заданій температурі. Температуру в робочому просторі АВТ визначали по градуїровочному графіку, побудованому в координатах “потужність – температура” за допомогою термопар ВР 5/20 струнного типу з розміщенням їх спаю в центрі робочого простору АВТ. Квазістаціонарний тепловий режим в АВТ встановлювався приблизно через 12-15 с з моменту подачі напруги і вважався незмінним т.я. швидкість її дрейфу при максимальній температурі в експериментах складає 80-90 К/хв.
Пористість прокату і брикетів, отриманих в апараті високого тиску, а також питому поверхню порошків визначали методом ртутної порометрії – за допомогою ртутного пороміра мод. 900. Щільність полікристалів оцінювали шляхом гідростатичного зважування за стандартною методикою. Вивчення еволюції мікроструктури та фазовий склад порошків BNв після деформаційної обробки здійснювали рентгенографічним методом та методом електронної мікроскопії.
Наявність та кількість BNг в деформованих порошках BNв визначали за допомогою дифрактометра HZG-4, а також в дебаєвській камері РКУ-114М. Про присутність BNг в порошках свідчила наявність на рентгенограмі інтенсивної лінії 002. При вивченні фізико-механічних характеристик одержаних ПНТМ використовували мікротвердомір ПМТ-3 і стандартні методики, а безпосереднє визначення модулів Юнга та Пуассона за допомогою ультразвукового методу.
В третьому розділі розглянуто фізико-технічні аспекти консолідації порошків вюрцитного нітриду бора в умовах високих тисків і температур. Приймаючи до уваги значну роль графітоподібного нітриду бору в формуванні властивостей ПНТМ, виконано розрахунки внеску BNг, який виникає при спіканні BNв, на рівень залишкових напружень, міцність і працездатність матеріалу.
Величину залишкових напружень в гетерофазних порошках гексаніту-А із-за різниці лінійного термічного розширення кристалічної ґратки BNг і (BNв, BNсф) при їх спіканні під тиском р можна записати виразом
де і - напруження створені різницею коефіцієнтів термічного розширення BNг (BNв, BNсф) та зовнішнього тиску р, відповідно.
Напруження, викликані зовнішнім тиском р знаходимо згідно формули
а викликані різницею лінійного термічного розширення за формулою
Згідно остаточних розрахунків величина залишкових напружень від присутності BNг в спечених ПНТМ на основі BNв складає
= 1,610-3 (ГПа/К) – 1,076 (ГПа)
За результатами визначення механічних властивостей порошків гексаніту-А трьохфазної системи, зменшення вмісту BNг в звичайному стані з 6 до 3% по масі приводить до підвищення механічної міцності матеріалу в середньому на 20-30%, при лінійному збільшенні твердості.
Структура і властивості спечених ПНТМ в значній мірі визначаються характеристиками вихідних порошків BNв, однією з яких є розмір його часток. Структурні дослідження двох партій полікристалічних матеріалів, спечених в однакових умовах із порошків BNв різної дисперсності (1-3 мкм – BN-1 та 1мкм і менше – BN-2), які були отримані за різними технологіями показали, що процеси структуроутворення на всіх етапах формування протікають інтенсивніше при використанні більш дисперсних порошків. Розмір структурних елементів в такому матеріалі на всіх етапах спікання також менший і в них фактично відсутні частинки вихідного розміру, що мають гетерофазну мікродоменну будову, як у матеріалі на основі більш крупних порошків BNв. Вивчення твердості показало, що дисперсність структури матеріалу на основі BNв та гомогенність його зеренної структури радикально впливають на характер зміни мікротвердості при збільшенні навантаження на індентор. Природа цього впливу пояснюється однорідністю напруженого стану в полікристалічному матеріалі, що підвищує стійкість до зародження і виникнення тріщин.
Досліджено вплив дисперсності та гранулометричного складу вихідних порошків BNв отриманих за однією технологією на структуру, фізико-механічні та експлуатаційні характеристики полікристалів. Для цього порошок BNв однієї партії розділили на дві частини, одну з яких піддавали гідрокласифікації з метою відокремлення крупних частинок. За даними седиментаційного аналізу основна маса порошку після гідрокласифікації складала 1-2 мкм (75 %), в той час як некласифікований порошок мав розмір 2-5 мкм (60 %) і в ньому були присутні частинки розміром до 10 мкм. З обох партій порошків спікали полікристали при р = 7,7 ГПа, Т=1800 С на протязі 60 с. Експерименти показали, що мікроструктура матеріалу на основі порошків після гідрокласифікації має високу однорідність в той час, як в матеріалі, спеченому з вихідних порошків зустрічаються частинки BNв, в яких в меншій мірі здійснилось фазове перетворення BNвBNсф. Про це свідчать і результати оцінки однорідності структури проведеної за допомогою ультразвукового методу, які показали підвищене затухання повздовжніх ультразвукових хвиль в зразках, виготовлених з вихідних порошків BNв. Характеристики полікристалів на основі обох порошків приведено в табл. 1.
Таблиця 1
Вплив стану порошків вюрцитного нітриду бора на характеристики спечених полікристалічних матеріалів
Партія порошку | Фазовий склад, % |
, г/см3 |
Vl, м/с |
Vt, м/с |
E, Г Па |
G, ГПа |
В, ГПа
BNв | BNсф
Вихідний | 40 | 60 | 3,4123 | 15432 | 9982,3 | 775,44 | 340,03 | 359,27 | 0,140
Класиф. | 30 | 70 | 3,4301 | 15853 | 10197,1 | 818,06 | 356,62 | 386,20 | 0,147
Вивчено особливості формування баротермічних умов в робочому просторі апарату високого тиску, які мають високу просторову неоднорідність, що є причиною різної щільності заготовок з BNв перед спіканням, а також росту пористості за рахунок зонального відокремлення усадки, обумовленого градієнтами температур. За нашими даними радіальний градієнт температури в робочому об’ємі АВТ, в залежності від схеми спорядження контейнера, може складати 15-20 град/мм, а в напрямку прикладання навантаження – до
80-90град/мм. Оскільки нагрівання заготовки при спіканні здійснюється підводом тепла з периферії, а швидкість нагрівання достатньо висока, це приводить до того, що в різних мікрооб’ємах заготовки швидкості усадки матеріалу при спіканні можуть істотно відрізнятись, створюючи напруги різного знаку і сприяючи появі пористості. Такий характер теплового поля суттєво змінює картину фазових перетворень і формування мікроструктури матеріалу при спіканні BNв, тому для забезпечення однорідного теплового поля в АВТ потрібно створювати відповідні умови теплообміну з робочого простору шляхом старанного підбору геометричних розмірів і схеми спорядження контейнера.
Опираючись на наведені дані з позицій кластерної моделі заготовки, запропонованої В.В. Скороходом, розглянута можливість утворення пор на початкових етапах спікання BNв, обумовленого різницею локального середнього ущільнення пористого тіла за рахунок неоднорідності в мікрооб’ємах пресовки за розміром частинок і щільності їх укладки. В локально неоднорідному пористому тілі зменшення пористості в кластері описується експоненціальною функцією
а для зон розрихлювання
Питома поверхня заготовки при локально неоднорідному ущільненні складає
Можливість росту пор на початкових етапах нагрівання при спіканні полікристалів із BNв підтверджується і експериментально, коли на 5 с спікання спостерігається максимальний вміст BNг, який утворюється як результат зворотнього фазового перетворення BNвBNг на поверхні пор і може складати до 15 об.%.
З урахуванням всіх фізичних і технологічних факторів, що впливають на процес формування ПНТМ із BNв сформульовано методологію досліджень, яка спирається на встановленні функціонального зв’язку між ланцюгами тріади “технологія – структура – властивості”, основаному на знаннях закономірностей спікання, фазових і структурних перетворень, впливаючи на які можна регулювати структурний стан матеріалу і, в кінцевому результаті, його властивості.
Четвертий розділ присвячено вивченню особливостей холодного деформування порошків BNв різними методами навантаження.
Дослідження особливостей холодного деформування порошків BNв показало, що для різних методів їх навантаження при тиску, який перевищує 0,7 ГПа, поряд з ущільненням, має місце подрібнення полікристалічних частинок, а при деяких умовах і монокристалічних зерен, що приводить до зміни їх структури. Ущільнення проходить в три стадії, кожна з яких може характеризуватись величиною середнього координаційного числа. На першій стадії ущільнення порошків здійснюється за рахунок кращої укладки частинок, шляхом їх проковзування зі зміною координаційного числа в межах = 3-7 при тиску р зг. Друга стадія характеризується заповненням великих пор за рахунок деформації приконтактних областей частинок та росту контактної поверхні, обумовленої крихким руйнуванням частинок, коли величина тиску складає р зг. При цьому координаційне число може мати значення = 7-12. Підвищення величини деформаційної дії до межі текучості матеріалу супроводжується упакуванням міжчасткових пор продуктами його руйнування, що приводить до збільшення координаційного числа до = 12.
Слід відзначити, що при деформуванні порошків BNв прокаткою зазначені процеси протікають більш інтенсивно і за менших значень тиску, що пояснюється наявністю значних напружень зсуву.
Пресування порошків BNв в умовах високого статичного тиску р = 7,7ГПа забезпечує максимальну відносну щільність = 0,67, а прокатка на четвертому переході коли величина тиску в зоні деформації сягала 1,4 ГПа – = 0,78 (рис.3), при цьому, питома поверхня порошку з 13,6 м2/г збільшується до 18,4м2/г та 21,8м2/г відповідно, що пояснюється значною фрагментацією часток порошку під дією навантаження.
Вивчення характеру подрібнення порошку BNв при навантаженні в різних умовах показало, що застосування прокатки більш ефективно впливає на подрібнення. Максимальний розмір часток BNв вже після триразової прокатки не перевищує 1,5 мкм, а середній розмір складає приблизно 0,4 мкм. Подрібнення зерен BNв дуже рівномірне і частинки мають ізометричну форму, причому руйнування їх здійснюється як по призматичній, так і по базисній площині, в результаті чого вони мають незначну товщину. Часто зустрічаються фрагменти часток в яких один шар не подрібнений по базису в напрямку площин призми, тоді як в іншому спостерігається фрагментація і ковзання.
В умовах навантаження BNв високими статичними тисками деформації зсуву мають місце тільки в деяких мікрооб’ємах, в зв’язку з чим спостерігається багато часток розміром менше 0,2 мкм і більше 2 мкм при середньому розмірі більше 1,5мкм. Подрібнення здійснюється в основному в площині призми. Часто тріщини йдуть паралельно, в результаті чого виникають тонкі рейки вздовж всієї частинки, які мають текстуру в перпендикулярному напрямку. Схема фрагментації частинок порошку BNв деформованого різними способами навантаження приведено
