Закономірності структуроутворення композиційних матеріалів на основі cBN з добавками Al, TiC, TiN та твердого сплаву - Автореферат

В номенклатурі відомих світових фірм “Element Six” (ПАР), “Megadiamond” (США), “Sumitomo Electric” (Японія) є двошарові пластини з ріжучим шаром на основі CBN та твердосплавної підкладки згідно стандартам ISO діаметром від 6,35 до 50,8 мм (від 1/4 до 2-х дюймів), загальна товщина пластини з твердосплавною підкладкою складає 3,18 або 6,35 мм (1/8-1/4 дюйма), товщина ріжучого шару CBN не перевищує 1-1,5 мм. Створення двошарового композиційного матеріалу з однорідним тріщиностійким електропровідним шаром CBN нерозємно зєднаним із твердосплавною підкладкою у вигляді заготовок діаметром 25 мм, загальною висотою 10-15 мм і висотою ріжучого шару CBN до 3 мм розширює можливості і номенклатуру інструменту, дозволяє виготовляти на його основі різці та складно-профільний інструмент для фінішної обробки загартованих вуглецевих і легованих сталей, а також застосовувати при виготовленні свердел без операції паяння. Мета дисертаційної роботи полягає у встановленні закономірностей структуроутворення композиційних матеріалів на основі кубічного нітриду бору з добавками алюмінію, карбіду титану, нітриду титану та підкладки з твердого сплаву при високих тисках та температурах для створення двошарового композиційного матеріалу з однорідним тріщиностійким електропровідним шаром на основі CBN на твердосплавній підкладці. Для оцінки однорідності структури отриманого композиту розроблено методику визначення однорідності композиту з використанням експериментальних даних рентгеноспектрального електроннозондового аналізу (М 28.5-269:2007), яка дозволяє визначати однорідність композиту (однорідність розподілу надтвердих фаз у композиті) спираючись на експериментальні дані рентгеноспектрального електроннозондового аналізу шляхом послідовного кількісного визначення вмісту елементів для ділянок поверхні різної площі (змінюється збільшення растрового електронного мікроскопу), встановлення залежності зміни концентрації елементів при зменшенні площі аналізу. Вибір шихти для одержання надтвердих електропровідних двошарових композитів базувався на наступному: кількість електропровідної фази повинна бути не менше 15 % (об.); в якості електропровідної фази найбажанішими є тугоплавкі сполуки титану (ТІС, TIN, TIB2), які близькі до CBN за твердістю, пружними модулями, коефіцієнтами термічного розширення і тому гарантують отримання надтвердих і ненапружених (мінімальна величина напруг І роду) композитів; в структурі спеченого матеріалу не повинна залишатись металічна фаза оскільки твердість такого матеріалу може бути суттєво понижена; високі твердість і тріщиностійкість композитів забезпечуються міцністю міжзеренних і міжфазних границь, а міцні границі формуються в процесі реакційного спікання за участю рідкої фази.В результаті виконаних досліджень розвязана науково-технічна задача, яка полягає у встановленні закономірностей структуроутворення композиційних матеріалів на основі кубічного нітриду бору з добавками алюмінію, карбіду титану, нітриду титану на підкладці з твердого сплаву при високих тисках та температурах, що дозволяє отримати двошаровий електропровідний композит на основі CBN. В умовах високих тисків та температур встановлено механізм формування структури перехідної зони двошарових композиційних матеріалів складом: підкладка WC-Co та робочий шар на основі CBN з добавками Al, TIC(TIN), які забезпечують необхідну електропровідність та встановлено, що склад та структура перехідної зони двошарового композиту формується під час реакційної взаємодії у системі CBN-Al-Co, а зєднання між підкладкою і робочим шаром забезпечується утворенням інтерметалідних фаз COXALY. Методом визначення питомого електричного опору у локальних ділянках двошарового композиту за допомогою електронного зонда РЕМ встановлено, що використання алюмінію у якості технологічного прошарку на границі між твердосплавною підкладкою та робочим шаром композиту з добавками алюмінію призводить до його проникнення у підкладку на відстань до 40 мкм, при цьому завдяки реактивній дифузії у підкладці виникає зона інтерметалідної фази COAL товщиною до 10 мкм, а питомий електричний опір зони становить 10 МОМ?см. Методом визначення однорідності композиту з використанням експериментальних даних рентгеноспектрального електроннозондового аналізу проведено оцінку впливу способу змішування (мокрого та сухого) вихідних порошків CBN, TIC(TIN), Al на однорідність структури композиту та встановлено, що при сухому змішуванні вихідних порошків однорідність розподілу надтвердих фаз в робочім шарі композиту низька, показник однорідності наближається до 158, має місце утворення конгломератів порошків карбіду (нітриду) титану. Встановлено, що на етапі просочення алюмінієм композиту з використанням CBN зернистістю 1/0 при температурі Т = 1073 К та тиску Р = 2 ГПА вирішальну роль відіграє механізм модифікації поверхні порошків CBN і TIN шляхом поглинання алюмінієм кисню, який адсорбований на їх поверхні та знаходиться у міжзеренних порах, при цьому товщина окисного шару Al2O3 на поверхні окремих зерен а