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

THERMOBARIC TREATMENT AND RESEARCH OF CHARACTERISTICS OF MATERIALS OF THE Al-B-N SYSTEM FOR THE CREATION OF COMPOSITE MATERIALS
Цитировать:
ТЕРМОБАРИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ Al-B-N ДЛЯ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Файзибаев Ш.С. [и др.]. 2023. 11(116). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/16340 (дата обращения: 15.07.2024).
Прочитать статью:
DOI - 10.32743/UniTech.2023.116.11.16340

 

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 BNк 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 BNг, 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 AlxNy, AlxBy и присутствует фазовый переход гексагонального NB в кубическую модификацию cNB. Наряду с фазой AlxNyи AlxBy 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 AlxNy, AlxBy и присутствует фазовый переход гексагонального NB в кубическую модификацию cNB [2]. Наряду с фазой AlxNy, AlxBy 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]

Наименование

Величина

1

Твёрдость

30-45

ГПа

2

Трещиностойкость

12-16

МПа·м1/2

3

Стойкость при точении закаленных сталей (HRC 52-54)

60

мин.

4

Размер зерна

5-30

мкм

5

Глубина резания

до 0,5

мм

6

Подача

0,05 - 0,15

мм/об

7

Скорость резания

200 – 125

м/мин.

 

Рисунок 5. Полученные образцы синтеза высокого давления

(без механической обработки)

Рисунок 6.  Композиционный инструментальный материал на основе кубического нитрида бора

 

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 AlxNy, AlxBy, 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 BNк→BNг // 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.
Информация об авторах

д-р техн. наук, профессор кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» Ташкентский государственный транспортный университет, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Professor of «Lokomotuves and lokomotuve industry» department, DSc, Tashkent State Transport University, Republic of Uzbekistan, Tashkent

канд. физ.-мат. наук, заместитель генерального директора Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению, Республика Белоруссия, г. Минск

PhD, deputy general director Scientific and Practical Center of the National Academy of Sciences of Belarus for Materials science, Republic of Belarus, Minsk

ст. преподаватель кафедры «Материаловедение и машиностроение» Ташкентский государственный транспортный университет, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Senior lecturer, of the Department of Materials Science and Mechanical Engineering, Tashkent State Transport University, Republic of Uzbekistan, Tashkent

PhD, доцент кафедры «Материаловедение и машиностроение» Ташкентский государственный транспортный университет, Республика Узбекистан, г. Ташкент  

Associate professor «Materials science and mechanical engineering» department, PhD, Tashkent State Transport University, Republic of Uzbekistan, Tashkent

старший преподаватель кафедры «Материаловедение и машиностроение» Ташкентский государственный транспортный университет, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Senior lecturer «Materials science and mechanical engineering» department, Tashkent State Transport University, Republic of Uzbekistan, Tashkent

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top