388

РОЗДІЛ 8

РОЗРОБКА НОВИХ КОМПОЗИЦІЙНИХ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ КНБ

Матеріалознавство – це система знань про властивості матеріалів про причини, що їх зумовлюють, яка дозволяє управляти властивостями в процесі створення і експлуатації матеріалів, тобто раціонально організувати технологію одержання і використання матеріалів.

Класичне матеріалознавство завжди виходило з технології (сировина, способи обробки, обладнання). Одержаний в результаті того чи іншого технологічного процесу матеріал досліджувався за своїми властивостями, потім цей матеріал використовувався там, де знайдені властивості забезпечували ефективність застосування. Така задача – знаходження областей застосування матеріалу, що одержується по заданій технології і має дані властивості – завжди має рішення. Це пряма задача матеріалознавства. При розв'язанні даної задачі зв’язок між структурою матеріалу і його властивостями носить допоміжний характер.

С учасне матеріалознавства характеризується постановкою оберненої задачі – пошуками технології створення матеріалу з властивостями, заданими його прогнозним, майбутнім застосуванням.

Іншими словами, раніше матеріалознавці знали, як можна одержати матеріал і розв’язували задачу його використання, для чого вивчали його властивості. Тепер відомо застосування і властивості матеріалу, завдання в тому, як одержати такий матеріал. Така обернена задача може не мати розв’язку, (матеріал з даними властивостями чи їх сукупністю одержати не можна), мати неєдине рішення (можна створити різні матеріали, що задовольняють заданий набір властивостей).

Традиційні області застосування полікристалів КНБ - матеріали для оснащення лезового інструменту, придатного для ефективної обробки загартованих сталей і чавунів, інших важкооброблюваних матеріалів. Крім того полікристали КНБ використовуються для виготовлення шліфпорошків крупних зернистостей (більше 1000 мкм), які застосовуються для виготовлення абразивного інструменту.

Необхідність в розробці нових матеріалів на основі кубічного нітриду бору викликана як появою нових матеріалів (нові марки сталей, чавунів, інших важкооброблюваних матеріалів), так і зростанням вимог до якості обробки, до чистоти оброблюваної поверхні. Такі вимоги може забезпечити тільки інструмент з надтвердих матеріалів.

Поява нових надтвердих матеріалів з підвищеними фізико-механічними властивостями, оптимальним співвідношенням різних характеристик, зі збільшеними розмірами, меншою вартістю сприяє більш широкому їх застосуванню. Наслідком застосування нових матеріалів є покращання економічних показників обробки, поява нових технологій обробки, поява нових областей застосування. Прикладом останнього є використання композитів КНБ для виготовлення елементів конструкції апаратів високого тиску [132].

Кінцевою метою даної роботи було створення високотвердих зносостійких матеріалів інструментального та конструкційного призначення.

Основний принцип розробки таких матеріалів включає зв'язок параметрів в ланцюгу "технологія - структура - властивості".

Відповідно до цього принципу одержання композитів КНБ здійснюється шляхом реакційного спікання при високих тисках і високих температурах порошків КНБ з металами і тугоплавкими сполуками.

Умови спікання забезпечують одержання структури композитів, з неперервним каркасом, утвореним зернами кубічного нітриду бора і розподіленої по границях зерен, де відсутній такий контакт, керамікою з тугоплавких сполук. Склад такої кераміки визначається реакціями, що здійснюються між компонентами шихти, включаючи домішки в шихті. В загальному випадку це можуть бути реакції твердофазні, реакції за участю рідкої фази і газів.

Розробка нових композиційних надтвердих матеріалів на основі кубічного нітриду бору велася з врахуванням їхнього призначення в таких напрямках: інструментальні матеріали, абразивні матеріали, конструкційні матеріали. Відповідно до призначення матеріалів визначалися основні вимоги до них.

Полікристалічний кубічний BN для лезового інструменту повинен мати оптимальне співвідношення твердості, тріщиностійкості, теплопровідності, яке визначається характером обробки, інтенсивністю зйому оброблюваного матеріалу, видом зносу інструментального матеріалу та економічною доцільністю.

Шліфпорошки з полікристалічного кубічного BN повинні мати високу твердість, транскристалітний злам для самозаточення зерен при шліфуванні

Для конструкційної кераміки з полікристалічного кубічного нітриду бору необхідні висока твердість, висока тріщиностійкість, в окремих випадках електропровідність.

Принцип керування властивостями полікристалів КНБ через формування їхньої структури в процесі спікання був закладений на початку 80-х років при створенні надтвердого полікристалічного матеріалу киборит.

Перший варіант такого матеріалу, що дозволив офіційно зареєструвати торгову марку КИБОРИТ, в даний час називається киборит-1. У вигляді пластин діаметром 7 і висотою 3,18 мм киборит-1 був отриманий шляхом спіканні в АВТ тороїд-20 при тиску 7,7 ГПа і температурі 2300 К порошку кубічного нітриду бору (до 98%) з добавками алюмінію, магнезіальної шпінелі, вуглецю та заліза [241, 242, 272].

Присутність у шихті інших добавок і високі параметри спікання призвели до одержання в складі зв’язки киборита-1, поряд з AlN і AlB₂, також вищого бориду -AlB₁₂ [16]. Поєднання високої твердості (38-42 ГПа) і високої теплопровідності (100-150 Вт/мК) з достатнім рівнем тріщиностійкості (8 МПам^1/2) кибориту-1 забезпечило можливість його використання в лезовому інструменті практично на всіх операціях чорнового, напівчистового і чистового точіння широкого класу матеріалів [37, 273-280].

Особливо слід зазначити успішне використання кибориту-1 в умовах великих навантажень при обробці наплавлених і напиляних покриттів [279], а також при високошвидкісній обробці ряду жароміцних нікелевих сплавів [280].

Нові розробки, про які буде сказано нижче, включали розробку оригінальних способів спікання та складів шихти для одержання полікристалів КНБ [219, 255-258]. За допомогою цих розробок вдалося одержати композиційний надтвердий матеріал на основі КНБ киборит другого покоління (киборит-2, киборит-3).

Особливості нового покоління кибориту по відношенню до кибориту-1 - розміри до 35 мм в діаметрі і до 25 мм по висоті (замість 7 і 3,5 мм відповідно), значно знижені параметрами спікання (тиск 4,2 ГПа замість 7,7 ГПа, температуру 1750 К замість 2300 К), значно нижча собівартість продукції за рахунок з одної сторони зниження параметрів спікання і відповідно підвищення строків служби дорогих апаратів високого тиску, з другої сторони за рахунок заміни дорогих АВТ з твердосплавними вставками (ВК6) на більш дешеві стальні АВТ з вставками з інструментальної сталі.

Нові способи спікання полікристалів КНБ дозволили одержати матеріали з оптимальним співвідношенням їх властивостей, що призвело до покращання експлуатаційних характеристик таких матеріалів (див. розд. 7, табл. 7.4, рис. 7.27).

Збільшення розміру кибориту дозволило використовувати його в умовах різання при великих навантаженнях (глибина різання до 10 мм і більше).

Розглянемо детальніше концепцію створення полікристалічних матеріалів на основі КНБ типу киборит і її реалізацію, а також властивості кибориту.

8.1. Розробка шихти для спікання композитів кнб типу киборит.

Результати дослідження структури та властивостей полікристалів, одержаних спіканням порошків КНБ без добавок показали, що полікристал з високою твердістю і густиною можна одержати при тиску спікання більше 7 ГПа, температурі більше 2200 К (див. роз. 2, 3, 4, 7).

Введення добавок в шихту для спікання дозволяють значно прискорити процеси усадки при спіканні. Якщо спікання проводити з добавками алюмінію в шихті, то завдяки появі рідкої фази і проходженню хімічної взаємодії між компонентами шихти швидкість усадки і формування структури та властивостей полікристалів значно зростають (див. розд. 3, 5), процес спікання завдяки цьому можна проводити при значно нижчих тисках і температурах (див. рис. 2.1).

Добавки в шихту тугоплавких сполук (TiC, TiN, TiCN, AlN), як показано в розд. 6, 7, не ведуть до зміни р,Т-параметрів формування структури і властивостей композитів.

І тільки спільне спікання порошків КНБ з тугоплавкими сполуками і алюмінієм дозволяє знизити параметри спікання і одержати при цьому зразки з високими фізико-механічними властивостями (див. розд. 7).

Розглянемо питання розробки шихти для одержання композитів типу киборит складу КНБ - нітрид алюмінію та КНБ - карбід титану.

8.1.1. Розробка шихти для одержання композиційного надтвердого матеріалу на основі кубічного нітриду бору та нітриду алюмінію.

Використання добавок алюмінію в шихті для спікання значно прискорює формування необхідних структури та властивостей композитів КНБ. Кількість алюмінію в шихті для спікання може змінюватись в широких межах в залежності від бажаних кінцевих характеристик одержаних композитів, а також від характеристик (оптимальних робочих параметрів) апаратури високого тиску, яка використовується для одержання матеріалу.

Проводячи оптимізацію технології одержання композитів КНБ склад шихти вибирають після вибору апаратури для спікання. Якщо це АВТ тороїд, робочими параметрами якого є тиск біля 8 ГПа і температура 2200 – 2400 К, то роль добавок алюмінію в шихті - це в першу чергу зв’язування домішок (адсорбованих поверхнею газів), крім того прискорення ущільнення шихти на початкових і гальмування процесів відпалу на кінцевих етапах спікання. Процеси “графітизації” в порах полікристалу при спіканні при таких тиску і температурі не є катастрофічними, бо після стадії “графітизації” наступає стадія перетворення графітоподібного гексагонального нітриду бору в сфалеритний, для цього сприятливі умови по тиску і температурі.

Для АВТ типу ковадло з заглибленням робочими параметрами є тиск 4 – 4,5 ГПа, температура 1700 – 1800 К. Одержані при таких р,Т-параметрах полікристали з шихти без добавок мають низьку густину, низьку твердість, в їх складі є велика кількість графітоподібного нітриду бора, який утворився в результаті фазового переходу BN_сфBN_г в порах. Утворений таким чином графітоподібний BN не може на кінцевих стадіях спікання перетворитись в сфалеритний (див. розд. 4). Для термічної активації фазового переходу BN_гBN_сф необхідна температура не менше 2100 К (див. рис. 2.1).

Алюміній в шихті для спікання перешкоджає фазовому переходу BN_сфBN_г. Крім того, спікання з алюмінієм сприяє прискореному ущільненню (див. розд. 3), а також прискореному формуванню структури та високих фізико-механічних властивостей (див. розд. 5 та розд. 7).

В табл. 8.1 приведені дані по залежності густини і твердості композитів КНБ від кількості алюмінію в шихті.

Аналіз даних, приведених в табл. 8.1, показує, що роль алюмінію в шихті для спікання при р,Т-параметрах одержання полікристалів 4,2 ГПа і 1750 К, та 7,7 ГПа і 2300 К різна. В першому випадку це перешкода фазовому перетворенню BN_сфBN_г. та прискорення процесів ущільнення та формування структури і властивостей полікристалів, в другому – зв’язування адсорбованих домішок та гальмування процесів відпалу дефектів структури. В першому випадку оптимальна кількість алюмінію в шихті (така, що відповідає найбільшій твердості полікристалу) близька до значення 10 мас. %, в другому – 1,5 – 3 мас.%. При інших р,Т-параметрах спікання оптимальна кількість добавок алюмінію в шихті буде, напевно, іншою.

Отже, дані табл. 8.1 можуть служити відправним пунктом розробки шихти для одержання полікристалів КНБ: якщо параметри спікання змінюються в межах від 4,2 до 7,7 ГПа і від 1750 до 2300 К, то кількість алюмінію в шихті для спікання для забезпечення максимальної твердості полікристалу, повинна знаходитись в межах 1,5-10 мас.%.

В розд. 7 показано, що твердість не може бути єдиним показником якості матеріалу, важливе оптимальне співвідношення властивостей матеріалу.

В табл. 8.2 приведені дані залежності міцності полікристалів КНБ, визначеної методом кругового згину [245] від складу шихти для спікання полікристалу та розміру зерен порошків шихти. У всіх дослідах використовувався порошок алюмінію зернистістю –40 мкм, тобто розмір зерен був менше 40 мкм, максимальний розмір зерен 40 мкм, мінімальний – 1 мкм, середній - 23 мкм.

Розмір зерен КНБ приведений в таблиці. р,Т-параметри спікання полікристалів були такі: тиск 7,7 ГПа, температура – 2300 К.

Аналіз даних табл. 8.2, свідчить, що оптимізацію складу шихти треба проводити по кількох параметрах – розмір зерна КНБ, кількість добавок алюмінію в шихті, добавки дисперсної складової для покращання умов змішування та просочення.

За результатами досліджень, приведених в розд. 5, розд. 7 та в табл. 8.1, 8.2 розроблено склад шихти для одержання полікристалічного надтвердого матеріалу киборит-2.

Таблиця 8.1