Отримання надтвердих композитів групи BL в системі cBN(Al)—SiB₄—WC в умовах високих р,Т-параметрів

Abstract

Досліджено процеси формування керамо-матричних матеріалів у системі cBN(Al)—SiB₄—WC за умов високих тисків (7,7 ГПа) в температурному інтервалі 1600—2300 °C. Показано, що для вибраної нами композиції (BL-група) 60 об. % cBN, 5 об. % Al, 25 об. % SiB₄ та 10 об. %. WC в усьому температурному інтервалі формуються практично безпористі надтверді матеріали із твердістю не менше 33 ГПа та модулем Юнга 613 ГПа, що обумовлено формуванням високоміцної керамічної матриці як в результаті рідкофазного спікання за участі як алюмінію так і активної хімічної взаємодії тетраборида кремнію з WС. Експериментально показано, що процеси консолідації мікропорошків доцільніше проводити при температурах не менше 1800 °C, а нагрів системи вище 2200 °C призводить до часткової графітизації сBN та активує процеси збиральної рекристалізації в цілому. За даними XRD-аналізу встановлено, що внаслідок термічного розкладу тетрабориду кремнію та подальшої хімічної взаємодії із WС утворюються нові сполуки W₂B₅ та WSi₂, а вихідний алюміній окиснюється до α-Al₂O₃ позбавляючи систему від надлишків кисню. Всі нові сполуки утворені в процесі реакційного спікання представлені мікрокристалічними формами із розміром не більше 1—3 мкм, які розташовані в міжзеренному просторі основної матриці, що сприяє додатковому збільшенню твердості та тріщиностійкості. Одержані надтверді керамічні пластини можуть використовуватися при точінні загартованих (до 60 HRC) та високолегованих (в тому числі інконелеєвих сталей) за умов високих температур в області різання.

The processes of formation of ceramic-matrix materials in the cBN(Al)SiB 4WC system under high pressure conditions (7.7 GPa) in the temperature range of 16002300 °C are studied. It is shown that, for the composition chosen by us (BL group), 60 % vol. cBN, 5 % vol. Al, 25 % vol. SiB₄ and 10 % vol. WC, nonporous superhard materials are virtually formed in the entire temperature range with hardness of no less than 33 GPa and Young’s modulus of 613 GPa, which is attributable to the formation of a highstrength ceramic matrix both as a result of the liquidphase sintering using aluminium and of an active chemical interaction of silicon tetraboride with WC. It is demonstrated by experiments that the micropowder consolidation process should be carried out at temperatures of no less than 1800 °C. The heating of the system above 2200 °C leads to the excessive cBN graphitization and accumulative recrystallization in general. According to the XRD analysis, it was established that, as a result of the thermal decomposition of silicon tetraboride and further chemical reaction with WC, new compounds are formed: W₂B₅ and WSi₂, and the original aluminum is oxidized to α-Al₂O₃, thereby relieving the system of excess oxygen. All new compounds formed in the course of producing the ceramics are represented by microcrystalline forms, not exceeding 1—3 μm in size, that are arranged in the intergranular space of the core matrix, which contributes to an additional increase in hardness and fracture resistance. The obtained superhard ceramic plates can be used for turning tempered (up to 60 HRC) and highalloyed (including inconel) steel at rising temperatures in the cutting area.

Изучены процессы формирования керамо-матричных материалов в системе cBN(Al)—SiB₄—WC в условиях высоких давлений (7,7 ГПа) в температурном интервале 1600—2300 °С. Показано, что для выбранной нами композиции (BL группа) 60 об. % cBN, 5 об. % Al, 25 об. % SiB4 и 10 об. % WC во всём температурном интервале формируются практически безпористые сверхтвёрдые материалы с твёрдостью не менее 33 ГПа и модулем Юнга 613 ГПа, что обусловлено формированием высокопрочной керамической матрицы как в результате жидкофазного спекания с участием алюминия так и активного химического взаимодействия тетраборида кремния с WС. Экспериментально показано, что процессы консолидации микропорошков целесообразно проводить при температурах не менее 1800 °C, а использование нагрева системы выше 2200 °C приводит к излишней графитизации сBN и собирательной рекристаллизации в целом. По данным XRD анализа установлено, что в результате термического разложения тетраборида кремния и дальнейшей химической реакции с WС образуются новые соединения W₂B₅ и WSi₂, а исходный алюминий окисляется до α-Al₂O₃ избавляя тем самым систему от избытка кислорода. Все новые соединения образованные в процессе получения керамики, представлены микрокристаллитными формами размером не более 1—3 мкм, которые расположены в межзёренном пространстве основной матрицы, что способствует дополнительному увеличению твёрдости и трещиностойкости. Полученные сверхтвёрдые керамические пластины могут использоваться при точении закалённых (до 60 HRC) и высоколегированных (в том числе инконелеевых сталей) в условиях развития повышенных температур в области резания.