CC BY
83
Сведения об авторах Харитонов Дмитрий Викторович
доктор технических наук, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия; АО «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А. Г. Ромашина», г. Обнинск, Россия [email protected] Анашкина Антонина Александровна
кандидат технических наук, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия; АО «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А. Г. Ромашина», г. Обнинск, Россия [email protected] Моторнова Мария Сергеевна
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия; АО «Обнинское научно -производственное предприятие «Технология» им. А. Г. Ромашина», г. Обнинск, Россия [email protected] Макаров Николай Александрович
доктор технических наук, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия [email protected]
Kharitonov Dmitrii Viktorovich
Dr. Sc. (Engineering), D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia; Obninsk Research
and Production Enterprise "Technologiya" Named after A. G. Romashin, Obninsk, Russia
Anashkina Antonina Aleksandrovna
PhD (Engineering), D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia; Obninsk Research
and Production Enterprise "Technologiya" Named after A. G. Romashin, Obninsk, Russia
Motornova Mariya Sergeevna
D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia; Obninsk Research and Production Enterprise "Technologiya" Named after A. G. Romashin, Obninsk, Russia [email protected]
Makarov Nikolai Aleksandrovich
Dr. Sc. (Engineering), D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.779-782 УДК 666.3.015.4
СВЕРХТВЕРДЫЕ КОМПОЗИТЫ. ЗАВИСИМОСТЬ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОТ ВЫБРАННОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
О. О. Царевская1, М. А. Вартанян1, А. А. Анохин2
1 Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия
2 ЗАО «Микробор Нанотех», г. Москва, Россия
Аннотация
Режущие инструменты на основе сверхтвердых материалов широко применяются в строительной" индустрии, например, при строительстве различных зданий, промышленных объектов, метрополитенов, а также при демонтаже сооружений. Реализация новых высокоэффективных технологий, обеспечивающих стремительное развитие техносферы XXI в., подразумевает, в частности, существенное увеличение нагрузки на инструмент. Соответственно, инструментальный материал должен обладать высокой износостойкостью, сочетать высокую прочность и твердость, обладать термостабильностью в широком интервале температур. Ключевые слова:
сверхтвердый композит, кубический нитрид бора, металлические связки для абразивных материалов, алмазный композит.
SUPERHARD COMPOSITES. DEPENDENCE OF PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES ON SELECTED CHEMICAL COMPOSITION
O. O. Tsarevskaya1, M. A. Vartanyan1, A. A. Anokhin2
1 D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
2 Microbor Nanotech JSC, Moscow, Russia
Abstract
Cutting tools based on superhard materials are widely used in the construction industry, for example, in the construction of various buildings, industrial facilities, subways, as well as in the dismantling of structures. The implementation of new highly efficient technologies that ensure the rapid development of the technosphere of the 21th century, in particular, implies a significant increase in the load on an instrument. Accordingly, the tool material must have high wear resistance, combine high strength and hardness, and have thermal stability over a wide range of temperatures. Keywords:
superhard composite, cubic boron nitride, metal bond for abrasive materials, diamond composite.
Особенности получения сверхтвердых композитов на основе алмаза и кубического нитрида бора.
Сверхтвердые материалы имеют микротвердость по Виккерсу более 20 ГПа, что выше микротвердости природного корунда. Из природных материалов к сверхтвердым относится только алмаз. В 2000 г. в ИСМ АН Украины прямым превращением графитоподобного твердого раствора BN-C при давлении 25 ГПа и температуре 2100 К была получена новая сверхтвердая фаза — кубический карбонитрид бора (BC2N), получивший обозначение «КАНБ». Твердость и модуль упругости КАНБ является промежуточным между алмазом и кубическим нитридом бора, что делает его вторым по твердости материалом после алмаза, и открывает новые перспективы [1, 2]. Инструментальная промышленность выпускает синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ).
Природный алмаз — это самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от всех других инструментальных материалов, имеющих поликристаллическое строение, с точки зрения инструментальщика состоит в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки. Поэтому в конце XX в. с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т. п. возрастает. Однако из-за дороговизны и хрупкости природные алмазы не применяются в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не столь высоки.
Потребность в сверхтвердых материалах привела к тому, что в 1953-1957 гг. в Швеции (фирма "ASEA") и США («Дженерал электрик») и в 1959 г. в СССР (Институт физики высоких давлений) методом каталитического синтеза при высоких статических давлениях из гексагональных фаз графита (С) и нитрида бора (BN) были получены мелкие частицы кубических фаз синтетического алмаза и нитрида бора [3].
Теория синтеза алмаза впервые была предложена О. И. Лейпунским (1939 г.), который на основе экспериментальных данных об обратном переходе алмаза в графит, сформулировал условие перехода графита в алмаз и рассчитал кривую равновесия графит — алмаз при высоких давлениях. Синтез алмаза из графита при высоких давлениях (более 4 ГПа) и температурах (свыше 1400 К) осуществляется в присутствии металлических растворителей углерода (Ni, Fe, Co и др.).
Кубический нитрид бора (КНБ) — сверхтвердый материал, не имеющий природных аналогов. Впервые был синтезирован в 1956 г. (фирмой «Дженерал Электрик») при давлении свыше 4,0 ГПа и температуре 1473 К из гексагонального нитрида бора в присутствии щелочных и щелочноземельных металлов (свинец, сурьма, олово и др.). Кубический нитрид бора, выпускаемый фирмой «Дженерал Электрик» был назван боразоном.
Синтетические монокристаллы алмаза и КНБ, полученные искусственным путем, имеют очень малые размеры, поэтому для использования в качестве инструментального материала их соединяют (сращивают) в поликристаллы. Поликристаллические композиционные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора появились на рубеже 1960-1970 гг. Характерной особенностью таких материалов является наличие жесткого каркаса из сросшихся зерен алмаза или КНБ. Спекание порошков алмаза и КНБ, как правило, осуществляют в области термодинамической стабильности алмаза и КНБ при давлении 5 ... 9 ГПа и температурах 1500 ... 2000 К. Обычно спекание поликристаллических композиционных материалов осуществляют в присутствии активирующих процесс спекания добавок: для алмазных порошков применяют кобальт или кремний, а для порошков КНБ — алюминий (рис. 1). Составляющие каркас зерна — это, в сущности, монокристаллы алмаза, обладающие рядом уникальных физико-механических и теплофизических свойств. Насколько эти свойства реализуются в поликристалле, зависит от степени их взаимной связности.
Разработана технология производства двухслойных пластин, где верхний рабочий слой — сверхтвердый материал — скреплен с твердосплавной пластиной. Спеканием или напаиванием алмазного рабочего слоя на такой пластине получают алмазно-твердосплавные пластины АТП, а рабочего слоя из КНБ — КТП.
Управление процессом формирования структуры поликристалла открывает возможности создавать в зависимости от областей применения материалы с требуемым сочетанием твердости, теплопроводности, прочности, электросопротивления. Поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) по своим физико-механическим свойствам могут быть близкими к монокристаллам, а по некоторым и превосходят их. Так, большинство алмазных поликристаллов обладает изотропией (однородностью по различным направлениям) свойств, отличаются высокой износостойкостью и превосходят монокристаллы по трещиностойкости.
Место срашивания
дооавки
Рис. 1. Структура алмазного композиционного поликристаллического материала
Классификация ПСТМ основана на способе их получения и особенностях структуры. Основные способы получения ПСТМ представлены в таблице.
Способы получения ПСТМ
Группа Способ получения Материал
1 Переход графита в алмаз в присутствии растворителя АСПК (ИФВД, Россия), АСБ (ИФВД, Россия)
Переход графитоподобного нитрида бора в кубический (КНБ) в присутствии растворителя Композит 01 (НПО «Ильич», Россия), композит 02 (ИФТТиП, Белоруссия)
Переход вюрцитного нитрида бора в кубический Композит 10 (ИПМ, Украина)
2 Спекание порошков алмаза с активирующими добавками; спекание порошков КНБ с активирующими добавками АКТМ (ИСМ, Украина), СКМ, СВБН, карбонит, киборит (ИСМ, Украина), ниборит
3 Спекание двухслойных пластин на твердосплавной подложке с алмазным рабочим слоем АТП (ИСМ, Украина)
Спекание двухслойных пластин на твердосплавной подложке с рабочим слоем из КНБ КТП (ИСМ, Украина)
При переходе графита в алмаз в присутствии растворителя получают искусственные алмазы марок «АСПК-карбонадо» и «АСБ-баллас», структура которых идентична структуре природных алмазов таких же названий. При переходе графитоподобного нитрида бора в кубический (КНБ) в присутствии растворителя получают Композит 01 (Эльбор-Р) и Композит 02 (Белбол), а при переходе вюрцитного нитрида бора в кубический — Композит 10 (Гексанит-Р). Спеканием порошков алмаза получают марки «АКТМ», «СКМ», «СВБН» и карбонит, а спеканием порошков КНБ — киборит и ниборит, технологическая схема производства таких матриалов приведена на рис. 2. За рубежом на основе технологии спекания алмазных зерен выпускают поликристаллические материалы Syndite 025, Megadiamond, Sumidia, Сотрах и др., а на основе спекания зерен КНБ — АтЬогйе, Sumiboron, Wurzin и др. Размеры пластин СПТМ могут достигать 30-40 мм в диаметре, что открывает возможность получения инструмента с режущими кромками большой длины [3].
Подготовка целевого продукта
Рис. 2. Технологическая схема процесса получения композиционных материалов на основе алмаза с металлической связующей фазой
Зависимость физико-механических свойств композитов от их химического состава. На основании анализа литературных данных можно заключить, что в настоящее время одной из наиболее перспективных для изготовления сверхтвердых материалов можно считать следующую композицию: кубический нитрид бора (КНБ) + синтетический алмаз + связка, состоящая из следующих элементов: кобальт (Co), никель (Ni), вольфрам (W), медь (Cu).
Данная связка в виде порошка сплава Cu — W — Co характеризуется высокой- твердостью и используется при обработке абразивных материалов. Однако подобные связки имеют низкую ударную вязкость, что ограничивает их применение в инструментах, работающих при больших скоростях (около 80 м/с), таких как, например, ОСК (отрезные сегментные круги). Поэтому для разработки инструмента для резки сталей, чугунов и т. д. эту связку легируют никелем с целью повышения пластических характеристик. Однако влияние данных добавок на механические свойства многокомпонентных связок Cu — W — Co — Ni, а также на характеристики изготовленных на их основе режущих инструментов, содержащих как алмазы, так и cBN, рассмотрено ранее не было.
Кобальт и его сплавы широко используют как материалы для связки режущего инструмента на основе СТМ. Кобальтовые сплавы производятся в виде порошков с широким ассортиментом гранулометрического состава, формы частиц, химической- частоты и т. д. Методом горячего прессования данные материалы могут быть скомпактированы до почти беспористого состояния при относительно низкой- температуре и давлении. Кобальтовые сплавы лучше всего удерживают алмазы благодаря высоким значениям предела текучести и ударной- вязкости, имеют достаточно высокую стойкость к абразивному износу.
В алмазных инструментах с кобальтовой- матрицей- отмечается высокая адгезия алмазов. В результате при разрушении сегментов образующиеся трещины проходят внутри самой- матрицы, а не по границе связка — алмаз [4]. При нагреве алмазоносного сегмента до температуры горячего прессования возможно образование на поверхности кристаллов СТМ карбидов кобальта, графита и фазы твердого раствора углерода в кобальте. В результате взаимодействия с кислородом и приложения высоких температур поверхность алмаза графитизируется, часть образовавшегося углерода образует с кобальтом твёрдый- раствор.
Размер частиц порошка, из которого изготовляется связка, влияет на температуру, необходимую для компактирования, и в итоге определяет степень деградации зерен СТМ в процессе горячего прессования.
Вольфрам — один из самых твердых материалов, используемых в качестве добавок к связкам. Вольфрам обладает высоким сродством к углероду, поэтому в процессе производства инструмента вокруг алмазных зерен образуется тонкий- слой карбида вольфрама. Карбид вольфрама не распадается при охлаждении и наносит меньше ущерба алмазам [5]. За счет этих свойств повышается прочность удержания (механического и химического) зерен СТМ в связке.
Литература
1. Логинов П. А. Разработка методов получения наномодифицированных металломатричных композиций для нового компонента для режущего инструмента из сверхтвердых материалов // Порошковая металлургия и композиционные материалы . 2014. № 2. С. 4.
2. Новый гибридный ультратвердый материал / А. А. Шульженко др. // Сверхтвердые материалы. 2010. № 5. С. 3-14.
3. Внуков Ю. Н. Инструментальные материалы для студентов специальностей: 7.090202 "Технология машиностроения", 7.090203 "Металлорежущие станки и системы. Запорожье: ЗНТУ, 2004. 31 с.
4. Study of the diamond-matrix interface in hot-pressed cobalt-based tools I A. Molinari et al. II Materials Science and Engineering A. 1990. Vol. 130. P. 257-262.
5. Fukunaga O., Endo T., Iwta M. Growth pressure-temperature region of cBN in the system BN-Mg II J. Mater. Sci. 1979. Vol. 14. P. 1375-1380.
Сведения об авторах
Царевская Ольга Олеговна
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Вартанян Мария Александровна
кандидат технических наук, доцент, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия
Анохин Александр Сергеевич
кандидат технических наук, ЗАО «Микробор Нанотех», г. Москва, Россия Tsarevskaya Olga Olegovna
D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Vartanyan Maria Aleksandrovna
PhD (Engineering), Associate Professor, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Anokhin Alexandr Sergeevich
PhD (Engineering), Microbor Nanotech JSC, Moscow, Russia
