Петруша Ігор Андрійович. Фазові та структурні перетворення піролітичних матеріалів нітриду бору при високих тисках

Краткое описание

Петруша Ігор Андрійович. Фазові та структурні перетворення піролітичних матеріалів нітриду бору при високих тисках : Дис... д-ра наук: 05.02.01 2002

Петруша І.А.Фазові та структурні перетворення піролітичних матеріалів нітриду бору при високих тисках.- Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01 -матеріалознавство. Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ, 2002.
Дисертаційна робота присвячена дослідженню закономірностей фазових і структурних перетворень щільних піролітичних матеріалів BN при високих тисках, одержанню полікристалічних матеріалів cBN з підвищеною міцністю та розробці ріжучих матеріалів на їх основі.
В дослідженні знайшла свій розвиток ідея використання піролітичних матеріалів на основі графітоподібних модифікацій BN для одержання високоміцних полікристалічних матеріалів cBN в результаті твердофазних перетворень, які мають місце при достатньо високих тисках і температурах. Полікристалічна структура cBN, що утворюється при цьому, є структурою сугубо рекристалізаційного походження, характеризується довершеними міжзерновими границями і, відповідно, високим рівнем межзеренової когезії та підвищеною міцністю. Рішення наукової проблеми полягало у вивченні структурних механізмів і закономірностей утворення cBN у залежності від характеристик реальної структури піронітриду (упорядкованість, фазовий склад, текстура, щільність). Прикладний аспект роботи полягав в розробці високоефективного ріжучого матеріалу, у якій одержали подальший розвиток традиційні підходи одержання керамічних і композиційних матеріалів на основі cBN шляхом спікання "готової" фази.

В результаті виконаних досліджень закономірностей фазових та структурних перетворень щільних піролітичних матеріалів нітриду бору при високих тисках суттєво доповнені фундаментальні знання природи фазових перетворень в BN та розв'язана науково-технічна проблема створення полікристалічних матеріалів кубічного нітриду бору з високою міцністю. Розроблено новий ріжучий матеріал гетероніт на основі сBN, який є високоефективним для чорнової обробки наплавлених та напилених покриттів, залізовуглецевих сплавів твердістю 40-65 HRCе, легованих хромом, марганцем, нікелем і ванадієм. Результати роботи сприяють розвитку досліджень та створенню нових матеріалів, в яких використовують дію високого тиску на щільні вихідні матеріали, які, зокрема, одержують методами хімічного газофазного осадження. Основні висновки і результати дисертації полягають у наступному:
1. В області стабільності hBN перетворення rBNhBN у високотекстурованому піролітичному матеріалі ПНБ(rs) на основі ромбоедричної фази завершується при температурах вище 2770 К (р= 2,5 ГПа) утворенням кристалічного матеріалу hBN зі збереженням текстури. Спосіб реалізовано завдяки використанню спеціально розробленої ЯВТ з нітриду алюмінію. Упорядкування турбостратної структури ПНБ(ts) спостерігається вище температури 2870 К (р= 2,5 ГПа).
2. В області стабільності сBN при 7,7 ГПа перетворення бімодальної структури піронітриду ПНБ(bm), а також кристалічних структур ПНБ(hs) і ПНБ(rs) на основі гексагональної i ромбоедричної фаз мають багатостадійний характер і відбуваються за участю метастабільного вюрцитного BN, який вище приблизно 1500 К починає трансформуватися в кубічний BN. Кристалоорієнтований характер перетворень приводить до успадковування алмазоподібними фазами вихідної текстури ПНБ. В гексагональній структурі ПНБ(hs) мікропластинчаста субструктура зерен щільної фази виникає завдяки пошаровим перебудовам граток зі збереженням текстури. В ромбоедричній структурі ПНБ(rs) перетворення rBNwBN є термічно активованим мартенситним за типом подовжнього згину шарів гексагонів вихідної структури.
3. Термобаричні параметри початку утворення щільних фаз в упорядкованих структурах ПНБ(hs) і ПНБ(rs) залежать від ступеня неоднорідності напруженого стану при квазігідростатичному стиску. Посилення осьової компоненти стиску вздовж осі текстури ПНБ(hs) призводить до істотного зміщення граничної температури мартенситного перетворення hBNwBN у низькотемпературну область (більше ніж на 1000 К у порівнянні з умовами гідростатичної дії при 7,7 ГПа). Перетворення wBN в кубічну фазу при 8 ГПа у всіх випадках завершується при 25002550 К, але в кінцевому матеріалі завжди присутня залишкова "стиснута" графітоподібна фаза BN в кількості 0,5-1 мас. %. В разі використання низькоупорядкованих різновидів піронітриду ПНБ(ts) і ПНБ(bm) формується високоміцна ізотропна полікристалічна структура cBN, в якій повністю відсутня залишкова вихідна фаза. Виходячи з цього, для практичного застосування рекомендовано саме ці різновиди піронітриду бору.
4. При квазігідростатичному стиску (р= 8 ГПа,Т> 2800 К) в полікристалі cBN має місце збільшення розмірів зерен, пов'язане з розвитком нормальної зби-ральної рекристалізації, яка супроводжується дисперсним пороутворенням на границях і виникненням масивних двійників в зернах. При деформуванні полікристалічної структури в умовах високих тисків (8 ГПа) при 2270 К спостерігається поява дрібних зерен у приграничних зонах з наступним переходом у дисперсний стан усього масивного зерна в процесі розвитку рекристалізації. Основними процесами структуроутворення є двійникування і первинна рекристалізація.
5. Вивчено особливості формозміни зразків ПНБ в результаті фазового переходу. Виходячи з об'ємного ефекту перетворення та щільності вихідного матеріалу знайдено кількісні залежності, які використовуються при одержанні полікристалів cBN заданої форми і розмірів.
6. Структура і теплопровідність ізотропного полікристалічного cBN після нагрівання в інертному середовищі при нормальному тиску до температури 1370 К істотно не змінюються, що свідчить про високий рівень термостійкості одержаного матеріалу. Перетворення кубічної структури в графітоподібну в вакуумі або інертному середовищі при 1,5 ГПа відбувається вище 1670 К. При цьому спостерігається утворення переважно ромбоедричної фази за термічно активованим мартенситним механізмом, що діє в досконалій структурі вихідного матеріалу.
7. Спосіб одержання полікристалів cBN з вихідних щільних матеріалів ПНБ базується на використанні АВТ типу "тороїд". Ізотропні структури, що одержують з низькоупорядкованих різновидів піронітриду, за міцністю у 8-9 разів перевершують матеріал керамічного типу на основі cBN (для зернистості 63/50). Тріщиностійкість полікристалів у 2-3 рази вища, ніж у кристалів cBN. За показниками твердості (40,7-51,5 ГПа), термостійкості та електроізоляційних характеристик полікристали істотно перевершують керамічні матеріали cBN. Максимальні діаметр і товщина полікристалів не перевищують 8 і 3 мм відповідно.
8. Використання гранул з одержаного полікристалічного матеріалу в якості високоміцного наповнювача при сумісному спіканні з мікропорошками cBN статичного синтезу (3-10 мкм) дозволяє суттєво підвищити зносостійкість ріжучого матеріалу. Оптимальний вміст полідисперсних гранул (5-40 мкм) наповнювача в вихідній шихті складає 55-75 об. %.
Розроблено новий матеріал гетероніт для ефективної обробки залізовуглецевих сплавів твердістю до 63 НRCе(60Х15МСЛ, 110Г13Л, КЭЧ130Х15, ХВГ), які леговані хромом, марганцем, нікелем і ванадієм, та наплавлених і напилених покриттів твердістю 40-65 HRCе(рекомендується для чорнового та напівчистового точіння в важких умовах різання). Промислові випробування гетероніту показали перспективність його застосування при обробці деталей металургійного і гірничо-збагачувального обладнання, що виробляються зі зміцнених і важкооброблюваних матеріалів (валки, прокатні шайби з ВК15). Використання матеріалу дозволяє підвищити режими різання і збільшити продуктивність обробки в 4-5 разів у порівнянні з керамікою, що застосовується в даний час.