ТЕРМОБАРИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ Al-B-N ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье исследованы процессы формирования и характеристик соединений системы Al-B-N, получаемых при воздействии высоких давлений (до 8 ГПа) и температур (до 2000К), для создания на их основе композиционных инструментальных материалов. 

ABSTRACT

This article examines the processes of formation and characteristics of compounds of the Al-B-N system, obtained under the influence of high pressures (up to 8 GPa) and temperatures (up to 2000 K), in order to create composite tool materials based on them.

Ключевые слова: Гексагональный нитрид бора, кубический нитрид бора, алюминий, композиционный материал, инструментальный материал, область гомогенности, стехиометрия, высокое давление и температура, сканирующая электронная микроскопия, порошковая рентгеновская дифракция, химический состав, микроструктурный анализ.

Keywords: Hexagonal boron nitride, cubic boron nitride, aluminum, composite material, instrumental material, homogeneity region, stoichiometry, high pressure and temperature, scanning electron microscopy, powder X-ray diffraction, chemical composition, microstructural analysis.

Введение

 Современный уровень развития техники требует использования новых материалов. Для создания узлов, механизмов и агрегатов, работающих длительное время при высоких скоростях и повышенных нагрузках, необходимо использование материалов, обладающих улучшенными характеристиками (прочность, твердость, износостойкость и другие). Потребность в материалах с улучшенными эксплуатационными характеристиками для различных областей применения в мире с каждым годом быстро растет. Сочетание высокой твердости и трещиностойкости имеет принципиальное значение для эффективной работы инструмента в сильно нагруженных условиях эксплуатации. Повышение механических и эксплуатационных свойств инструмента является первоочередной задачей для эффективной работы инструмента в широком интервале температур. В этой связи использование кубического нитрида бора является актуальным.

Получение композиционных материалов инструментального назначения связано со значительными технико-экономическими трудностями (давление 8-10ГПа и температура до 1700-2200ºК). Для снижения давления и температуры синтеза используются различные реакционные смеси, состоящие из кубического нитрида бора и связки. В процессе термобарического спекания из данных смесей формируются композиционные материалы различного инструментального назначения. В настоящее время мировая научная общественность всесторонне подходит к выбору композиционных материалов. К сожалению, до настоящего времени нет однозначного решения данной проблемы. Ниже приведены некоторые из наиболее перспективных разработок в данной области.

Методы исследования

Проведены исследование процессов формирования и характеристик соединений системы Al-B-N, получаемых при воздействии высоких давлений (до 8 ГПа) и температур (до 2000К), для создания на их основе композиционных инструментальных материалов. 

Синтез осуществлен при давлениях до 8 ГПа и температурах до 2000°С. Установка для синтеза BN_к при высоком давлении и температуре включает в себя гидравлический пресс ДО 137 А, аппарат высокого давления (АВД), силовой трансформатор для электрического нагрева реакционного объема камеры высокого давления и программатор синтеза «OPTRON». Синтез осуществлялся в АВД с твердосплавными матрицами типа «наковальня с лункой» (рисунок 1).

Рисунок 1. Устройство высокого давления для синтеза сверхтвердых материалов:

1 – твердосплавные матрицы с контейнером и нагревательным элементом; 2 – стальные поддерживающие кольца; 3 – твердосплавные опорные плиты с поддерживающими кольцами; 4 – корпус водяного охлаждения (стрелками указано направление входа и выхода воды)

Реакционную шихту для синтеза, состоящую из порошков, перемешивали в течение 20 ч в смесителе со смещенной осью. Затем под давлением 0,25 ГПа из смеси в стальной пресс-форме при комнатной температуре прессовали цилиндрические таблетки диаметром 10 и высотой 2 мм и помещали их в составной нагреватель, спрессованный из шихты, состоящей из графита и BN_г, расположенный в камере высокого давления, после чего проводили синтез.

Рисунок 2. Аппарат высокого давления типа ДО 137А

Получение образцов системы Al-B-N проводилось из элементарного Al и гексагональной модификации BN (в соотношении Al:NB=0.50:0.50 по массе)под разным значением высокого давления от 1,0 до 5,0 ГПа, при разных значениях температуры от 500˚С до 2500˚С с продолжительностью синтеза 3-4 минуты в твердосплавных камерах высокого давления типа «наковальня с лункой» в контейнерах из литографского камня [1]. Подобранные условия синтеза позволяют получить соединения указанной системы с высокой степенью фазовой чистоты.

Рисунок 3. Спектры рентгеновской дифракции полученных образцов системы Al-B-N, полученные под разным значением высокого давления от 1,0 ГПа до 5,0 ГПа при температуре 2500˚С с продолжительностью синтеза 3-4 минуты

Данные рентгеновской дифракции (рисунок 3) полученных образцов системы Al-B-N свидетельствуют, что в образце начиная с 1,0 ГПа и до 5,0 ГПа при температуре 2500˚С идет образование фазы Al_xN_y, Al_xB_y и присутствует фазовый переход гексагонального NB в кубическую модификацию cNB. Наряду с фазой Al_xN_yи Al_xB_y в образцах присутствуют другие двойные соединения изучаемой системы.

Рисунок 4. Спектры рентгеновской дифракции полученных образцов системы Al-B-N, полученные под высоким давлением 5,0 ГПа при разных значениях температуры 500 - 2500˚С с продолжительностью синтеза 3 минуты

Данные рентгеновской дифракции (рисунок 4) полученных образцов системы Al-B-N свидетельствуют, что в образце начиная с 1500˚С и до 2500˚С (включительно), при значении высокого давления, равного 5,0 ГПа и при продолжительности синтеза 3 минуты идет образование фазы Al_xN_y, Al_xB_y и присутствует фазовый переход гексагонального NB в кубическую модификацию cNB [2]. Наряду с фазой Al_xN_y, Al_xB_y в образцах присутствуют другие двойные соединения изучаемой системы, это обусловлено нестехеометрическим соотношением исходной шихты.

Таблица 1.

Механические свойства композиционных материалов на основе кубического нитрида бора [3-6]

Выводы

Определено влияние состава, давления, температуры и времени на процессы фазообразования и физические характеристики в системе Al-B-N. Получено свидетельство того, что в образце, начиная с 1,0 ГПа и до 5,0 ГПа, при температурах от 1500˚С и до 2500˚С (включительно) идет образование фазы Al_xN_y, Al_xB_y, и присутствует фазовый переход гексагонального gNBкубическую модификацию cNB.

Полученные композиционные соединения являются предпосылкой для создания связки на основе системы Al-B-N под конкретные задачи использования на производстве.

Список литературы:

1. Шипило В. Б., Игнатенко О. В. Азарко И. И., Шемпель Н. А., Лебедев С. А. Исследование процессов кристаллизации кубического нитрида бора системе BN-Li₃N при различной концентрации катализатора. // Материалы докладов 7-ой международной научно-технической конференции НОМАТЕХ-2006. – Минск, 2006. – С.239-241.
2. Игнатенко О. В., Корзун Б. В., Лебедев С. А. Особенности каталитического влияния меди на фазовый переход BN_к→BN_г // Тезисы Докладов Международной Конференции ФТТ-2007. –Минск, 2007. – С.367-369.
3. Fayzibayev, S., Ignotenko, O., Urazbaev, T., Mamayev, S., & Nafasov, J. (2023). Development of technology for formation of AI-BN system joints under influence of high pressures and temperatures to create composite tool material. In E3S Web of Conferences (Vol. 401, p. 05016). EDP Sciences.
4. Fayzibaev, S., Ignotenko, O., & Urazbaev, T. (2021). Development of binding based on BN-Ti-Al system compounds for creating a composite instrumental material for a final raining of railway parts. In E3S Web of Conferences (Vol. 264, p. 04073). EDP Sciences.
5. Файзибаев, Ш. С., Нигай, Р. П., Самборская, Н. А., Уразбаев, Т. Т., & Нафасов, Ж. Х. У. (2021). РЕЖУЩИЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ СВЯЗКИ СОЕДИНЕНИЯ СИСТЕМЫ BN-TI-AL ДЛЯ ЧИСТОВОЙ ОБТОЧКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ // Universum: технические науки, (3-1 (84)), 82-87.
6. А.Л. Желудкевич, С.Ф. Паршутич, Ш.С. Файзибаев, Т.Т. Уразбаев, О.В. Игнатенко. Разработка связки на основе соединений системы Ti-Al для композиционного инструментального материала NB-Ti-Al. Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка Минск ГО «ГНПЦ НАН Беларуси по материаловедению» г. Минск 2021., С. 399-407.