Стратійчук Денис Анатолійович. Закономірності формування структури надтвердих матеріалів в системі B-C-Si в умовах високих тисків

Короткий опис

Стратійчук Денис Анатолійович. Закономірності формування структури надтвердих матеріалів в системі B-C-Si в умовах високих тисків: дис... канд. техн. наук: 05.02.01 / НАН України; Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля. - К., 2005. , табл.

Стратійчук Д.А. Закономірності формування структури надтвердих матеріалів в системі В-С-Si в умовах високих тисків. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 матеріалознавство. Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ, 2005.
Дисертацію присвячено вивченню закономірностей формування структурних станів надтвердих фаз системи B-C-Si в умовах високих р,Т- параметрів. Вперше показано перспективність використання високого тиску для отримання практично безпористої монофазної В4С- кераміки з бімодальним структурним типом. Розроблено метод отримання В4С- кераміки з підвищеною тріщиностійкістю (КІС ~ 6,5 МПа м1/2) при твердості HV10 = 41 ГПа. Виявлено, що лише використання високого тиску в поєднанні із значними зсувними деформаціями дозволяє формувати особливий структурний стан із дисипативними по відношенню до магістральних тріщин характеристиками.
Вперше встановлено, що використання ультрадисперсного алмазного порошку в складі просочуючого шару при просоченні В4С кремнієм дозволяє впливати на кількісний фазовий склад B4C-Si композитів, а отриманий композит поєднує в собі високі значення тріщиностійкості (КІС ~ 8,0 МПа м1/2) та твердості HV10 = 39 ГПа. Вперше для системи B-C-Si встановлено закономірності формування оболонкової структури, а також утворення вторинного наномірного карбіду бору в результаті розпаду твердих розчинів. Запропоновано механізм підвищення тріщиностійкості за рахунок мікроструктурних напружень та наявності наномірних складових.
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 (15-20 % 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, sР. Д.С. = 350 МПа, модуль Юнга = 625 ГПа та пористістю < 0,1 %. Отриманий матеріал рекомендовано для використання в якості ріжучого інструменту при обробці матеріалів з підвищеною локальною температурою в області контакту ріжуча вставка - оброблювальна поверхня.

В результаті виконаних досліджень розв’язана 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, sР. 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 взаємнозв’язаних 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 зв’язування залишкового Si) з подальшим просоченням системи кремнієм не призводить до повного хімічного зв’язування 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.