Закономірності формування структури надтвердих матеріалів в системі В-С-Si в умовах високих тисків - Автореферат

Це обумовлено важливістю отримання інформації про структурно-фазові перетворення в системах s-та p-елементів для можливості мікроструктурного проектування матеріалів в цілому, а також для оцінки можливості отримання надтвердих композитів з високими фізико-механічними характеристиками, що може забезпечити їхнє використання як альтернативних матеріалам на базі сфалеритного BN і (або) алмазу. Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному: - спікання монофазних матеріалів в умовах високих тисків супроводжується значною пластичною деформацією та первинною рекристалізацією зі зменшенням розміру зерен; ці процеси визначають формування бімодального структурного типу В4С-кераміки, що обумовлює підвищення тріщиностійкості К1С від 3,0 МПАМ1/2 (для кераміки, отриманої при р = 0,3 ГПА) до 6,5 МПАМ1/2 (отриманої при р = 5,5 ГПА) при твердості HV10 = 40 ГПА; структуроутворення композиту В4С-Si обумовлено двома основними послідовно протікаючими процесами - формуванням оболонкової субструктури в зернах карбіду бору, внаслідок утворення твердого розчину кремнію в В4С, та його послідуючим розпадом з виділенням нанодисперсних складових вторинного карбіду бору, в результаті чого формується композит з тріщиностійкістю 8,0 МПАМ1/2 при твердості 39,0 ГПА; в присутності мікропорошків синтетичного алмазу взаємодія в системі В4С-Si проходить з утворенням карбіду кремнію, а також формуванням оболонок вторинного карбіду бору на поверхні зерен алмаза, які обумовлюють утримання таких зерен матричною складовою на основі В4С; встановлені механізми структурних перетворень при формуванні композиту В4С-SIC-САЛМ. при р = 7,7 ГПА з ростом температури спікання від 1300 до 2000 ОС та виявлені оптимальні параметри спікання, при реалізації яких матеріал характеризується відсутністю вільного кремнію, високою міцністю міжфазних границь і високими фізико-механічними характеристиками: HV10 = 42 ГПА, КІС = 8 МПАМ1/2, Р. Д.С. На основі карбіду бору розроблено композит складу В4С-SIC-САЛМ, який має високу зносостійкість, незначне зменшення твердості після відпалювання в вакуумі та близьку до відомих матеріалів на основі алмазу та CBN тріщиностійкість, а також твердість при 1000 ОС, і може бути рекомендований для застосування в якості змінних ріжучих вставок для різання в умовах підвищених локальних температур в області контакту з оброблюваною поверхнею.Розроблено спосіб виготовлення термостабільного композиційного матеріалу на базі карбіду бору (до 80 % за масою), який передбачає спікання порошкової суміші карбіду бору (60-80 % за масою) зернистістю 1-50 мкм, алмазів зернистістю 10-30 мкм (13-33 % за масою) та просочення кремнієм в умовах високих тисків та температур в області стабільності алмазу. Визначено умови та вперше одержано композит B4C-SIC-Салм, який характеризується високими фізико-механічними характеристиками: HV10 = 42 ГПА, КІС = 8 МПАМ1/2, Р. Д.С. Показано, що при введенні в просочуючий шар, який складається із суміші порошків графіту та кремнію, додатково порошку ультрадисперсного алмазу в кількості 20 % за масою від вмісту кремнію, на границі розподілу просочуючий шар - зразок утворюється прошарок карбіду кремнію, який впливає на швидкість просочення зразку розплавом кремнію і в значній мірі зменшує вміст вільного кремнію (2,5-3 рази) в композиті та підвищує його твердість. в системі В4С-Si в умовах одностороннього просочення пресовок В4С кремнієм основний структурний елемент композиту складається з трьох взаємнозвязаних компонент: а) зерно В4С; б) оболонка навколо зерен В4С, яка побудована з твердого розчину В4С(Si); в) нанодисперсні виділення вторинного В4С в оболонці. нанесення CVD-графіту на поверхню мікропорошку В4С (з метою звязування залишкового Si) з подальшим просоченням системи кремнієм не призводить до повного хімічного звязування кремнію та графіту, що зменшує міцнісні характеристики композиту (КІС » 3,0-3,5 МПАМ1/2).

1. Загальна характеристика роботи композит надтвердий термостабільний тріщиностійкість

В результаті виконаних досліджень розвязана науково-технічна задача створення термостійкого композиційного матеріалу на базі карбіду бору при високих тисках і температурах.

За результатами роботи зроблено наступні висновки: 1. Розроблено спосіб виготовлення термостабільного композиційного матеріалу на базі карбіду бору (до 80 % за масою), який передбачає спікання порошкової суміші карбіду бору (60-80 % за масою) зернистістю 1-50 мкм, алмазів зернистістю 10-30 мкм (13-33 % за масою) та просочення кремнієм в умовах високих тисків та температур в області стабільності алмазу. Визначено умови та вперше одержано композит B4C-SIC-Салм, який характеризується високими фізико-механічними характеристиками: HV10 = 42 ГПА, КІС = 8 МПАМ1/2, Р. Д.С. = 350 МПА, Модуль Юнга = 625 ГПА, пористість < 0,1 %, зменшення твердості після відпалювання в вакуумі складає 2-3 %, твердість при 1000 ОС становить 13,7 ГПА, що є близьким до монофазної CBN кераміки.

2. Встановлено, що введення в просочуючий шар порошку УДА дозволяє змінювати швидкість просочення та підвищує фізико-механічні характеристики композиту. Показано, що при введенні в просочуючий шар, який складається із суміші порошків графіту та кремнію, додатково порошку ультрадисперсного алмазу в кількості 20 % за масою від вмісту кремнію, на границі розподілу просочуючий шар - зразок утворюється прошарок карбіду кремнію, який впливає на швидкість просочення зразку розплавом кремнію і в значній мірі зменшує вміст вільного кремнію (2,5-3 рази) в композиті та підвищує його твердість.

3. Показано, що отримана кераміка характеризується особливим структурним станом, який поєднує в собі дрібнозернисту матричну складову на базі В4С з розміщеними в ній більш крупних зерен В4С та алмазу. Зерна алмазу оточені шаром вторинного карбіду бору, який характеризується стовбчастою наномірною структурою. Високі фізико-механічні характеристики отриманого композиту є наслідком формування, саме в умовах високих р,Т- параметрів, зазначеного бімодального структурного типу з міцними міжфазними границями та наномірними складовими.

4. В результаті вивчення технологій одержання композиту на основі В4С встановлено наступні закономірності: - в монофазній системі - В4С в умовах високих р,Т- параметрів (р = 5,5 ГПА, Т = 2000 ОС) відбувається зерногранична рекристалізація, що супроводжується подрібненням зеренної структури. В результаті отримано практично безпористий керамічний матеріал з бімодальною зеренною структурою. Дана кераміка характеризується високою твердістю HV10 = 40 ГПА та підвищеною тріщиностійкістю КІС » 6,0-6,5 МПАМ1/2. Після відпалу в вакуумі, за рахунок зняття внутрішніх напружень, К1С дещо підвищується.

- в системі В4С-Si в умовах одностороннього просочення пресовок В4С кремнієм основний структурний елемент композиту складається з трьох взаємнозвязаних компонент: а) зерно В4С; б) оболонка навколо зерен В4С, яка побудована з твердого розчину В4С(Si); в) нанодисперсні виділення вторинного В4С в оболонці. Отриманий композит при твердості HV10 = 37 ГПА характеризується тріщиностійкістю » 8,0 МПА м1/2, що є наслідком особливого структурного стану з нанодисперсними складовими.

- нанесення CVD- графіту на поверхню мікропорошку В4С (з метою звязування залишкового Si) з подальшим просоченням системи кремнієм не призводить до повного хімічного звязування кремнію та графіту, що зменшує міцнісні характеристики композиту (КІС » 3,0-3,5 МПАМ1/2). Отримана кераміка характеризується низькою міцністю міжфазних границь та крупнозернистою структурою ( = 150 - 200 мкм) із залишковим кремнієм.

5. Розроблено рекомендації по оптимізації складу термостабільного композиційного матеріалу, що забезпечується, в першу чергу, за рахунок зміни співвідношення в системі B4C-SIC-САЛМ., а також за рахунок зміни р,Т,t- параметрів спікання. Для покращення фізико-механічних властивостей необхідно використовувати композит наступного складу B4C 62 % за масою, SIC 18 % за масою, САЛМ. 20 % за масою. Оригінальність цієї розробки доведено патентом України і рекомендовано для застосування при механічній обробці за умов підвищених температур в області різання. З метою вивчення ефективності застосування даного композиту та визначення фізико-механічних характеристик нового термостабільного матеріалу виготовлено дослідну партію зразків (25 шт.) різних розмірів.

Основні результати роботи викладено у наступних публікаціях

1. Шульженко А. А., Гаргин В.Г., Стратийчук Д.А. Композиционный материал на основе В-С-Si (КАРБОРСИТ) // Сб. научн. труд. ИСМ, ИЦП Алкон НАНУ “Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент- техника и технология его изготовления и применение” Киев-2003. с.193-198.

2. Стратийчук Д.А., Шульженко А.А., Олейник Г.С., Белявина Н.Н., Маркив В.Я. Формирование поликристаллического карбида бора (В4С) с повышенной вязкостью разрушения // Порошковая металлургия 2005 г. № 1/2, с. 90-101.

3. Шульженко А. А., Стратийчук Д.А., Гаргин В.Г., Белявина Н.Н. Получение и физико-механические свойства кермета на основе В-С-Si // Сверхтвердые материалы, 2003, №5, с. 82-84.

4. Олейник Г.С., Шульженко А.А., Стратийчук Д.А., Гаргин В.Г., Верещака В.М. Особенности микроструктуры композита с повышенной вязкостью разрушения, полученного в системе B-C-Si при высоком давлении // Сверхтвердые материалы, 2004, №4, с. 16-28.

5. Стратийчук Д.А., Шульженко А.А., Белявина Н.Н., Маркив В.Я. Формирование сверхтвердой керамики на основе карбида бора (В4С) в условиях высокого давления // Сверхтвердые материалы, 2003, №4, с. 11-15.

6. А. А. Шульженко, Д.А. Стратийчук. Новий композиционный материал на основе В4С полученный в условиях высоких р,Т- параметров // Сверхтвердые материалы, 2005, №1. - С. 81-84.

7. Стратийчук Д.А., Международная межвузовская научно-техническая конференция. - г. Гомель, Республика Беларусь, 25-26 апреля 2002 г. С. 62-63;

8. Стратийчук Д.А. Друга всеукраїнська конференція молодих вчених та спеціалістів, “Надтверді, композиційні матеріали та покриття: отримання, властивості, застосування”, 27-28 травня, 2004 р. С. 53-54;

9. Патент України 62656 А, М. Кл.7 С04В 35/563 ??Спосіб одержання композиційного матеріалу на основі карбіду бору?? - Опубл. 15.12.03. Бюл. №12.