Реферати українською » Биология и химия » Сверхтвердый наноалмазный композит інструментального призначення


Реферат Сверхтвердый наноалмазный композит інструментального призначення

А. М. Соколов, А. А. Шульженко, У. Р. Гаргин

Одержання полікристалів і композитів з урахуванням діамантових порошків з твердістю по Віккерсу HV вище 50 ГПа має велику практичного значення. Зазначені матеріали застосовуються для механічного оброблення гострінням кольорових металів та його сплавів.

Відомо, що високий рівень фізико-механічних властивостей діамантових порошків визначається высокодисперсной структурою зерен поликристалла, що, зокрема, безпосередньо випливає з експериментально встановленої залежності Холла—Петча (1) твердості і краю плинності від розміру зерна [1].

де HV — твердість,

Звідси випливає, що з здобуття якісної поликристаллического матеріалу зі щільною, однорідної, мелкозернистой структурою перспективне використання діамантових порошків нанометрического діапазону. За відповідних умовах перетворюється на нанодис-персном поликристалле можлива реалізація унікального комплексу механічних властивостей, наприклад, поєднання дуже високих твердості та стійкості до растрескиванию.

Під час розробки технологій отримання нових надтвердих матеріалів з допомогою компонентів нанометрического діапазону важлива проблема є збереження нанодисперсного стану матеріалу у процесі спечення. З іншого боку, пам'ятаймо про високої структурної чутливості механічних властивостей, що особливо гостро проявляється під час використання наноматеріалів. Як відомо [1], особливостями структури таких матеріалів є мала величина кристаллитов і, велика об'ємна частка кордонів, в прикордонних областях і потрійних стиків нанозерен; високий рівень внутрішніх напруг; наявність домішок та інших дефектів, властивих самим наноматериалам і привнесеним у процесі дуже складним технології їх отримання.

Спекание нанопорошків алмазу

У працях [2—4] показано, що різні види на вихідні нанопорошки алмазів і підготовлену шихту: хімічне модифікування поверхні частинок разом із вакуумної очищенням і дегазацией, попередня механічна активація, наприклад, методом холодного изостатическо-го пресування, і навіть використання активуючих процес спечення добавок — дозволяє поліпшити фізико-механічні властивості спеченных матеріалів.

Найбільш ефективним підходом поліпшити фізико-механічних властивостей полікристалів алмазу з урахуванням нанопорошків є пошук оптимального режиму спечення шихти, що містить активуючі добавки, виконують роль як розчинників вуглецю (З, Ni, Fe, їх сплави та інших.) і інгібіторів зростання зерен. У цьому шихта повинна пройти попередній етап механічної активації.

Метою згаданої роботи була дослідження впливу умов спечення формування структури та властивості наноалмазных композитів.

Як вихідний матеріал використовували суміші нанопорошків алмазу статичного синтезу АСМ5 0,1/0 і АСМ5 0,5/0, не котрі піддавалися попередньої хімічної очищенні і термообработке в вакуумі, фракційний і примесный склад яких відповідав ДСТУ 3292-95 [5]. Як активуючих процес спечення добавок було обрано розчинники вуглецю з урахуванням кобальту, які у вихідної шихті становили 5—15%(масс.).

Подготовленную суміш активували методом багаторазового изостатического пресування при тисках від 1,1 до 5,0 ГПа. Спекание проводили в апараті високого тиску (АВД) типу «тороид» з діаметром центрального поглиблення 13 мм, розрахованому для проведення процесів при тисках до 8,0 ГПа. Спекание шихти проводили при тиску 8,0 ГПа, температурі 2000 До, тривалість спечення становила 20—30 з.

Структура діамантових композитів

Розглянемо деякі особливості структури отриманих композитів. У зразках, отриманих при спекании шихти, що містить 15%(масс.) СоО, навіть у микрообъемах не виявляється неалмазный вуглець. На микроэлектронограммах від різних ділянок зразків видно поодинокі точкові відображення, які можна віднесено до кобальту і (або) його сполукам (рис. 1).

Зеренная мікроструктура зразків однорідна з усього обсягу. Основний складової мікроструктури є зерна розмірами 70—100 нм. На рис. 2 представлені типові электронно-микроскопические зображення зеренной структури зразків. Нано-дисперсные зерна мають переважно форму багатогранників із дуже згладженими вершинами. На светлопольных електронно-мікроскопічних зображеннях між зернами всіх розмірів виявляються як тонкі лінійні кордону, і широкі изгиб-ные контури (див. рис. 2, а). На темнопольных зображеннях кордони між сростками зерен видно часто як тонких ліній. У обсязі зерен всіх розмірів виявляються також изгибные контури, що на високий рівень напруг у них.

Встановлені особливості структури досліджених зразків дозволяють укласти, що за умови спечення нанодисперсного порошку алмазу відбуваються процеси структурних перетворень як у межах, і у обсязі частинок. Оскільки між зернами є суцільні кордону, це є свідченням те, що при спекании проходять процеси диффузионного массопереноса. Оскільки диффузионная рухливість алмазного вуглецю низька в досліджених термодинамічних умовах спечення (8 ГПа, 2000 До), можна припустити, що дифузний массоперенос алмазу обумовлений переважно присутністю рідкої фази.

Рис. 1. Типова микроэлектронограмма зразків, спеченных з шихти з 15%(масс.) СоО.

Область площею -0,5 мкм2

Таблиця

Физико-механические властивості надтвердих полікристалів і композита

Матеріал Умови отримання Твердость HV (ГПа), при навантаженні на индентор (зв) Нанотвердость HF, ГПа Трещиностойкость, МПа-м-1/^
5 10 50
Алмазне композит 8 ГПа 64,8 47,0 43,6 71,3 14,5
2000 До
Алмазне поликристалл 8 ГПа 46,2 35,4 6,8
2000 До

Рентгеноструктурный аналіз зразків, спеченных за умов високого тиску і температурах системі Салм + СоО, показує повну відсутність чистого кобальту, який міг би в ролі рідкої фази.

У результаті встановлено, що більшість композитній добавки (СоО) після спечення залишається не змінювалась, а приблизно 1/4 значна її частина при взаємодії з вуглецем утворює карбонат кобальту (СоСО3), адже за умов високого тиску і температур розчиняє вуглець і, мабуть, є джерелом рідкої фази у системі

Салм + СоО.

У таблиці наведено фізико-механічні властивості отриманих полікристалів.

Висновки

Поєднання попередньої механічної активації вихідної шихти з введенням у неї активуючих добавок дозволяє істотно поліпшити фізико-механічні характеристики. Твердость алмазного нанокомпозита, спеченного за умов високих тиску і температури, зріс у 1,7 разу, а трещино-стойкость майже 2 разу. Цей результату досягнуто, передусім, з допомогою однорідності мікроструктури спеченного композита і придушення процесу формування мікротріщин завдяки запровадженню активуючих добавок.

Розроблена технологія дозволяє спекать композити нанопорошків алмазу, що потенційно можуть успішно конкурувати з однокристальным алмазним інструментом з природних алмазів. Вони можна застосовувати виготовлення ріжучого, що деформує чи міряльного інструмента багаторазового використання. Завдяки високим значенням трещиностойко-сти композити придатні й у бурового інструмента, зокрема ударно-вращательного типу.

Робота виконано за підтримки Українського науково-технологічного центру (проект № 1745).

Список літератури

1. Андрієвський Р.А., Глезер A.M. Фізика металів і металознавство, 1999, № 1, з. 50—73.

2. Сверхтвердые матеріали. Набуття та застосування. Т. 1: Синтез алмазу та інших матеріалів. Відп. ред. А.А. Шульженко. Київ: ІСМ їм. В.М. Бакуля, ІСЦ «АЛКОН», 2003, 320 з.

3. Шульженко А.А., Соколов О.Н., Гаргин ЗТ. Породоразру-шающий і металообробний інструмент — техніка, технологія її виготовлення застосування, 2004, вип. 7, з. 101 — 106.

4. Сенють В.Т., Мосунов Є.І. Фізика твердого тіла, 2004, т. 46, № 4, з. 746-748.

5. Порошки алмазн! синтетичш. Загальн! техшчн! умови. ДСТУ 3292-95, Ки'ш: Держстандарт Украши, 1995, 71 з.

Схожі реферати:

Навігація