CC BY
17
УДК 666.7:66.083
Чувикина М.С., Рогова А.Н., Адршина Е.А., Вартанян М.А., Беляков А.В.
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АЛМАЗА
Чувикина Мария Сергеевна, студент 1 курса магистратуры кафедры химической технологии керамики и огнеупоров, инженер-исследователь, e-mail: mchuvikina@imet.ac.ru;
Рогова Алена Николаевна, студент 1 курса магистратуры кафедры химической технологии керамики и огнеупоров, инженер-исследователь,
Адршина Елена Анатольевна, аспирант 4-го года обучения;
Вартанян Мария Александровна, к.т.н., доцент, доцент кафедры химической технологии керамики и огнеупоров; Беляков Алексей Васильевич, д.х.н., профессор, профессор кафедры химической технологии керамики и огнеупоров.
1 Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
2 Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова Российской академии наук, Москва, Россия.
В работе обсуждаются физико-механические свойства (модуль упругости, твердость) образцов из поликристаллического HPHT алмаза до и после термической обработки. Представлены результаты оценки режущих свойств термообработанного образца.
Ключевые слова: сверхтвердые материалы, поликристаллический алмаз, механические свойства.
STUDY OF THERMAL CURING EFFECT ON MECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITE INSTRUMENTAL MATERIAL BASED ON POLYCRYSTALLINE DIAMOND
Chuvikina Maria Sergeevna12, Rogova Alena Nikolaevna12, Adrshina Elena Anatol'evna2, Vartanyan Maria Alexandrovna1, Belyakov Alexey Vasil'evich1,
1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia 2A.A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of RAS, Moscow, Russia
The paper discusses mechanical properties (modulus of elasticity, hardness) ofpolycrystalline HPHT diamond samples before and after heat treatment. Cutting behavior of cured samples is presented.
Keywords: superhard materials, polycrystalline diamond, mechanical properties.
В машиностроении для изготовления режущего и абразивного инструмента широко используют как природные (алмаз, кварц, корунд), так и синтетические (кубический нитрид бора, электрокорунд, карбид бора, карбид кремния) материалы [1]. Сверхтвердыми инструментальными материалами (СТМ) называют материалы, которые имеют твердость свыше 40 ГПа, типичным их представителем выступает природный алмаз [2]. Основными требованиями к СТМ являются высокий модуль упругости, твердость и износостойкость.
Для лезвийной обработки в виде вставок и напайных кромок применяют природные и синтетические (CVD и PCD) алмазы, кубический нитрид бора. Для абразивной обработки материалов также используют алмазы (природные и синтетические) и кубический нитрид бора, кроме этого применяют электрокорунд нормальный и белый, карбиды кремния и бора, некоторые оксиды (алюминия, хрома, железа) и горные породы [3]. Все виды износостойких покрытий должны удовлетворять следующим условиям, необходимым для увеличения длительности эксплуатации: высокая микротвердость и не менее чем полуторакратное превышение твердости покрытия над таковой инструмента.
Цель работы - изучение влияния термической обработки на физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики СТМ на основе поликристаллического PCD-алмаза.
Исследование проводили на материале системы Салм - Ваморф - Саморф с высоким (более 70 %) массовым содержанием алмаза. В качестве исходных компонентов использовали порошок технического алмаза, бора аморфного и сажи ламповой, которые диспергировали в среде гексана в ультразвуковом диспергаторе Hielscher UP200ST (Hielscher Ultrasonics GmbH, Германия), мощность воздействия составляла 120 Вт, продолжительность обработки 5 мин. Затем дисперсию при постоянном перемешивании упаривали при температуре 70 °С до полного удаления гексана и упаковывали шихту в герметичную капсулу. Образцы в форме цилиндров диаметром 8 и толщиной 5 мм (режущая пластина формы R по ГОСТ 28762-90 [4]) получали на одноосном гидравлическом прессе усилием 2000 тс методом спекания при высоком давлении (6 ГПа) и температуре (1600 °С) с выдержкой в ячейке высокого давления 20 с (HPHT-метод). Повторную термообработку проводили при температуре 1200 °С в защитной среде без приложения давления.
Микроструктуру образцов и однородность распределения фаз оценивали по данным сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и рентгеноспектрального микроанализа (РСА) с использованием растрового электронного микроскопа Helios Nanolab 600i (FEI, США) c энерго-дисперсионным спектрометром EDAX (AMETEK, США). Значения модуля упругости E^ и микротвердости H^ образцов при индентировании определяли по методике, аналогичной ГОСТ Р 8.7482011 [5], при нагрузке 150 мН с помощью сканирующего нанотвердомера «НаноСкан» Таблица 1. Физико-механические свойства (
(ТИСНУМ, Россия). В качестве индентора использовали трехгранную пирамиду Берковича. Измерения выполняли на полированных образцах, полировку осуществляли в алмазной суспензии на двухдисковой полировальной машине при частоте вращения диска 140 мин"1. Перед каждым измерением микротвердости контролировали шероховатость поверхности композита. Для повышения точности определения микротвердости проводили не менее 40 измерений, полученные результаты представлены в таблице.
азцов композита до и после термообработки
Модуль упругости, ГПа Микротвердость, ГПа
№ испытания до после до после
термообработки термообработки термообработки термообработки
1 252,0 355,5 33,8 70,7
2 276,1 330,9 33,1 71,3
3 232,1 333,7 33,1 74,0
4 268,2 389,0 31,5 79,8
5 263,0 351,8 35,8 81,0
6 277,6 383,5 31,3 83,5
7 237,9 376,8 30,6 84,3
8 263,9 429,0 30,8 85,4
9 250,4 359,9 31,9 88,6
10 292,8 412,4 34,6 89,6
Оценку режущих свойств проводили на термообработанных образцах по методике, аналогичной ГОСТ 28762-90, на многоцелевом горизонтальном токарном станке Doosan Puma 240 CNC (Doosan Machine Tools, США) в режиме чистовой обработки (подача 0,1 мм/об, скорость резания 200 м/мин, глубина 0,2 мм, длительность 3 мин) с использованием водорастворимой смазочно-охлаждающей жидкости. Испытания проводили на втулке из титана ВТ6, схема проведения эксперимента представлена на рис. 1.
Рис. 1. Моделирование трения и износа: 1 -поверхность контртела; 2 -индентор
Полученные результаты свидетельствуют о том, что композит обладает неоднородной структурой и слагается несколькими фазами, различными по физико-механическим
характеристикам. На это указывают данные РСА и особенно - величины модуля упругости. Среднее значение модуля упругости составляет 266 ± 15 ГПа, микротвердости 30,75 ± 2,45 ГПа.
В результате повторной термообработки происходит упрочнение материала. По-видимому, при повторной термообработке без приложения давления происходит релаксация напряжений в образце: если среднее значение модуля упругости повышается в 1,4 раза (376 ± 26 ГПа), то микротвердость возрастает в 2,5 раза (80,43 ± 1,59 ГПа). При этом материал по данным СЭМ (рис. 2) сохраняет признаки полифазности.
Рис. 2. Микроструктура композита после термообработки (увеличение 5000*)
По результатам тестовых испытаний режущей способности установлено, что износ по передней и задней поверхности образца составляет 276 мкм. При этом сколов или выкрашиваний на поверхности сверхтвердого композита не зафиксировано. Результаты испытаний представлены на рис. 2.
Рис. 2. Пятно износа пластины после испытаний: а - износ по передней поверхности; б - износ по задней поверхности
Допустимое значение износа для режущих пластин из СТМ по ГОСТ 28762-90 составляет не
более 400 мкм. Таким образом, по эксплуатационным характеристикам разработанный материал не уступает промышленным аналогам, а повторная термообработка способствует улучшению его физико-механических свойств.
Авторы выражают благодарность за помощь в проведении исследований сотрудникам ИМЕТРАНА.С. Анохину и С.С. Стрельниковой.
Список литературы
1. Композиционные материалы. Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения / Ю. М. Аверина, Е. Н. Субчева, Е. В. Юртов, О. В. Зверева. — РХТУ им. Д. И. Менделеева Москва, 2017. — 128 с.
2. Новиков Н.В. Инструменты из сверхтвердых материалов. - М.: Машиностроение, 2014. - 608 с.
3. Шульженко А.А., Яворска Л. Новый износостойкий сверхтвердый алмазный композиционный поликристаллический материал // Сверхтвердые материалы. - 2018. -№1. - С. 3-11.
4. ГОСТ 28762-90 Пластины режущие сменные из сверхтвердых материалов. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2005.
5. ГОСТ Р 8.748-2011 (ИСО 14577-1:2002) ГСИ. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 1. Метод испытаний. - М.: Стандартинформ, 2013.
