Реферат: Формування однорідної структури І підвищення зносостійкості надтвердих композитів, одержаних реакційним спіканням кубічного нітриду бору з алюмінієм при високому тиску

Формування однорідної структури і підвищення зносостійкості надтвердих композитів, одержаних реакційним спіканням кубічного нітриду бору з алюмінієм при високому тиску

С. М. Коновал

Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, 04074, Київ-74, вул. Автозаводська, 2, Україна


Надтверді композити на основі кубічного нітриду бору (PCBN) є одними з найперспективніших інструментальних матеріалів. Від їх властивостей залежать надійність і економічність роботи інструменту в умовах високих навантажень, температур, швидкостей, хімічної взаємодії з оброблюваним матеріалом, а також висока точність геометрії обробки і якість оброблюваних поверхонь.

Важливим для композиційних матеріалів є поняття однорідності структури. За визначенням однорідна структура – це безкінечна система, побудовану з копій однієї і тієї ж кінцевої комірки, правила з’єднання комірок в системі скрізь однакові. Для різальних пластин з надтвердих PCBN матеріалів наявність неоднорідних ділянок розміром більшим зерна надтвердої фази може бути причиною руйнування леза різця зколом при точінні. Тому є важливим одержання PCBN композитів з структурою, однорідною на рівні розміру зерна надтвердої фази.

При одержанні PCBN композитів реакційним спіканням кубічного нітриду бору з алюмінієм в умовах високого тиску з попереднім просоченням стисненого порошку cBN алюмінієм, фазовий склад композиту і рівень однорідності його структури визначаються температурою і тиском спікання, дисперсністю вихідних порошків і співвідношенням компонентів в шихті [1]. При спікання в стальних апаратах високого тиску ковадло з заглибленням, тиск і температура спікання як правило 4–5 ГПа і 1600-1800 К, параметри попереднього просочення стисненого порошку cBN алюмінієм – 2-2,5 ГПа по тиску і 1100-1300 К по температурі. Для одержання PCBN композитів використовують здебільшого мікропорошки сBN з розміром зерен до 10 мкм, для виготовлення матеріалів, призначених для важких умов роботи – до 60 мкм.

Можливі три варіанти формування фазового складу і структури композиту: 1) алюмінію недостатньо, щоб під дією зовнішнього тиску при просоченні заповнити всі пори в стисненому порошку cBN; 2) об’єм алюмінію в шихті рівний об’єму пор в стисненому порошку cBN; 3) алюмінію більше, ніж потрібно для заповнення пор.

В першому випадку тиск в рідкому алюмінії при реакційній взаємодії з cBN рівний капілярному тиску в пористій системі і на порядки нижчий за зовнішній тиск, матеріал однорідний на мезорівні, розмір мезокомірки до 200 мкм, в структурі є пористі області, склад зв’язки – нітрид і вищі бориди алюмінію, при експлуатації різального інструменту з такого матеріалу можливий катастрофічний знос леза (зкол). В другому і третьому випадках Al заповнює всі пори, і тиск в рідкому алюмінії при реакційній взаємодії з КНБ рівний зовнішньому тиску в АВТ. Для другого випадку однорідність структури на мікрорівні, розмір структурної комірки близький до розміру зерна КНБ (як правило до 10 мкм), зв’язка двохфазна, вільний алюміній в структурі відсутній. Знос інструменту з такого матеріалу прогресивний, а не катастрофічний. При надлишку алюмінію (випадок 3) однорідність на мезорівні, так як в процесі просочення не весь алюміній диспергується в пори і в структурі залишаються частинки алюмінію великого розміру. Враховуючи високі температури в зоні різання (до 1300 К), залишковий алюміній може бути причиною руйнування леза через напруги, які виникають при його термічному розширенні і плавленні.


1. Коновал С.М., Беженар М.П. Структурні неоднорідності надтвердих композитів системи cBN-Al // Синтез, спекание и свойства сверхтвердых материалов: сб. науч. тр./ К.: ИСМ им. В.Н. Бакуля, (2010).