Спекание композиционных материалов инструментального назначения на основе импактных алмазов в условиях высоких давлений и температур

The article presents the results of a study of composite materials based on diamond-lonsdaleite abrasive (DLA) and various binders (Fe–Ti mechanocomposite, silicon carbide SiC). A metal-matrix composite material with a multimodal nano- and microlevel structure, characterized by increased adhesion of diamond grains to the binder, is obtained on the basis of impact diamonds and a Fe–Ti nano-mechanical composite. It is shown that the use of impact diamonds in comparison with synthetic diamonds makes it possible to reduce the pressure of thermobaric treatment by 30–50 % at the same sintering temperatures. The use of Fe–Ti–DLA composites in the process of magnetic-abrasive polishing (MAP) makes it possible to increase the removal rate of material based on silicon by 1.5–2 times and reduce the processing time by 30 % compared to ferroabrasive powder (FAP) based on synthetic diamonds. The effect of adding of silicon carbide on the process of obtaining a superhard composite material impact diamond – SiC is investigated. It is found that adding of SiC helps to reduce the defectiveness of the material and increase the homogeneity of its structure in comparison with the material without adding of a binder. In this case, an increase in the content of SiC and Si also leads to an inversion of the structure type of the superhard composite from polycrystalline to matrix. It is found that the additional use of amorphous soot and boron affects the refinement of the matrix structure of the composite material due to the formation of boron carbide and secondary finely dispersed silicon carbide.Представлены результаты исследования композиционных материалов на основе порошка алмаз-лонсдейлитового абразива (АЛА) и различных связующих (механокомпозит Fe–Ti, карбид кремния SiC). С использованием импактных алмазов и наномеханокомпозита Fe–Ti получен металло-матричный композиционный материал с мультимодальной нано- и микроуровневой структурой, характеризующийся повышенной адгезией алмазных зерен к связке. Показано, что использование импактных алмазов по сравнению с синтетическими алмазами позволяет снизить давление термобарической обработки на 30–50 % при тех же температурах спекания. Применение композитов Fe–Ti–АЛА в процессе магнитно-абразивного полирования (МАП) позволяет повысить в 1,5–2 раза скорость съема материала на основе кремния и на 30 % сократить продолжительность обработки по сравнению с ферро-абразивным порошком (ФАП) на основе синтетических алмазов. Исследовано влияние добавки карбида кремния на процесс получения сверхтвердого композиционного материала импактный алмаз – SiC. Выяснено, что добавка SiC способствуют снижению дефектности материала и повышению однородности его структуры по сравнению с материалом без добавки связующего. При этом увеличение содержания SiC и Si приводит также к инверсии типа структуры сверхтвердого композита с поликристаллической на матричную. Установлено, что дополнительное использование сажи аморфной и бора влияет на измельчение структуры матрицы композиционного материала вследствие формирования карбида бора и вторичного мелкодисперсного карбида кремния

Спекание сверхтвердых композиционных материалов на основе микро- и субмикропорошков кубического нитрида бора и наноструктурных нитридов титана и алюминия

Superhard composite materials on the basis of micro- and submicron powders of cubic boron nitride and nanostructured refractory nitrides of titanium, aluminum and titanium carbonitride obtained by the method of self-propagating high temperature synthesis are considered. Some physical, mechanical and operating parameters of the composites depending on their composition and technological modes of sintering under high pressure are studied.Рассмотрены сверхтвердые композиционные материалы на основе микро- и субмикропорошков кубического нитрида бора и наноструктурных тугоплавких нитридов титана, алюминия и карбонитрида титана, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Изучены некоторые физико-механические и эксплуатационные характеристики композитов в зависимости от их состава и технологических режимов спекания под высоким давлением

Получение нано- и микропорошков кубического BN из механоактивированного графитоподобного BN в условиях высоких давлений и температур с использованием алюминия в качестве инициатора фазового превращения

An effect of mechanical activation of graphite-like (hexagonal) boron nitride (hBN) on catalytic synthesis of nano- and micropowders of cubic boron nitride (cBN) under conditions of high pressures and temperatures is shown in the article. It has been suggested that nuclei of dense phases of boron nitride (cubic and wurtzite) are formed in the hBN structure during mechanical activation they serve as crystallization centers stimulating the formation of cBN crystals under subsequent thermobaric treatment. Additional chemical-thermal modification of hBN with aluminum as a catalyst (initiator) for the phase transformation of hBN into cBN leads to a significant increase in the content of cBN along with an increase in the synthesis pressure. Thus, the introduction of Al additives in the amount of 10 wt.% leads to an increase in the content of the cBN phase from 10–15 % under synthesis pressure of 2.5 GPa up to 90 % under pressure of 5.5 GPa. In this case, the grain size of cBN, estimated by scanning and atomic force microscopy, is mainly 200–400 nm and 40–120 nm for the samples synthesized under pressure of 2.5 and 5.5 GPa, respectively. The increase in the content of the initiator from 10 to 40 wt.% with an increase in isothermal holding time from 15 to 60 s in the studied range of pressures and temperatures leads to the formation of intergrowths of cBN grains in nano- and submicron sizes and individual cBN single crystals of a cubic habit with a grain size of 1–4 µm, as well as polycrystalline cBN particles from 10 to 50 µm. In this case, the maximum size distribution of cBN micropowders in the range up to 50 µm falls on particles up to 5 µm (~ 70 %). In the submicron grain size range the maximum yield (~ 50 %) is marked for cBN particles 0.5–0.7 µm in size. The obtained powders can be used to make abrasive and cutting tools.Рассмотрено влияние механоактивации графитоподобного (гексагонального) нитрида бора (hBN) на процесс каталитического синтеза в условиях высоких давлений и температур нано- и микропорошков кубического нитрида бора (cBN). Выдвинуто предположение, что в ходе механоактивации в структуре hBN происходит образование зародышей плотных фаз нитрида бора – кубической и вюрцитной, которые служат центрами кристаллизации, стимулирующими процесс формирования кристаллов cBN при последующей термобарической обработке. Дополнительное химико-термическое модифицирование hBN алюминием, выступающим в качестве катализатора (инициатора) фазового превращения hBN в cBN, наряду с увеличением давления синтеза способствует существенному повышению содержания cBN в спеках. Так, введение добавки Al в количестве 10 мас.% приводит к росту содержания фазы cBN с 10–15 % при давлении синтеза 2,5 ГПа до 90 % при давлении 5,5 ГПа. При этом размер зерен cBN, оцененный методами сканирующей и атомно-силовой микроскопии, составляет преимущественно 200–400 нм и 40–120 нм для образцов спеков, синтезированных при давлении 2,5 и 5,5 ГПа соответственно. Повышение содержания инициатора с 10 до 40 мас.% при увеличении времени изотермической выдержки с 15 до 60 с в исследованном диапазоне давлений и температур приводит к формированию сростков зерен cBN нано- и субмикронных размеров и отдельных монокристаллов cBN кубического габитуса зернистостью 1–4 мкм, а также поликристаллических частиц cBN от 10 до 50 мкм. При этом максимум распределения микропорошков cBN по размерам в диапазоне до 50 мкм приходится на частицы до 5 мкм (~ 70 %). В субмикронном диапазоне зернистостей максимальный выход (~ 50 %) отмечается для частиц cBN размером 0,5–0,7 мкм. Полученные порошки могут быть использованы для изготовления абразивного и лезвийного инструмента

Синтез и применение наноструктурных сверхтвердых материалов инструментального назначения

The main scientific and technological directions in the field of obtaining new superhard nanostructured tool materials on the basis of diamond and cubic boron nitride which gained development in recent years in laboratory of nanostructured and superhard materials of the Joint Institute of Mechanical engineering of NAN of Belarus are considered.Рассмотрены основные научные и технологические направления в области получения новых сверхтвердых наноструктурных инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора, получившие развитие за последние годы в лаборатории наноструктурных и сверхтвердых материалов Объединенного института машиностроения НАН Беларуси

СИНТЕЗ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОАЛМАЗОВ

The influence of modifying annealing and technological modes of sintering under pressure on the structure and phase composition of polycrystalline superhard materials on the basis of nanodiamonds and diamond blend of detonation synthesis was studied. It is shown that the atmosphere in which the annealing is occurred affects the content of the diamond phase and the crystallite size of nanodiamonds after sintering under pressure. As a result of the modification of anodiamonds by silicon in combination with vacuum annealing the composite nanopowder diamond- SiC was synthesized, which provides a basis for sintering of diamond nanostructured compacts of increased diameter.Изучено влияние модифицирующего отжига и технологических режимов спекания под давлением на структуру и фазовый состав поликристаллических сверхтвердых материалов на основе наноалмазов и алмазосодержащей шихты детонационного синтеза. Показано, что атмосфера, в которой осуществляется отжиг, влияет на содержание алмазной фазы и размер кристаллитов наноалмазов после спекания под давлением. В результате модифицирования наноалмазов кремнием в сочетании с вакуумным отжигом синтезирован композиционный нанопорошок алмаз–SiC, который служит основой для спекания алмазных наноструктурных компактов увеличенного диаметра

Анализ процесса превращения в алмаз тонкого слоя графитоподобного углерода на поверхности детонационного наноалмаза

The article considers the process of obtaining nanostructured diamond materials due to phase transformation of thin films based on carbon non-diamond forms on the nanodiamond surface into diamond. For the synthesis of nanostructured diamond polycrystalline superhard material, various variants of the initial mixture based on nanodiamond with non-diamond carbon on the surface are proposed (surface-graphitized nanodiamond, surface-graphitized nanodiamond with addition of purified nanodiamond, detonation diamond-containing charge with a surface layer of “amorphous” carbon, including purified nanodiamond additives). The influence of the structure of a thin non-diamond layer on the parameters of graphite to diamond transition is revealed. For a carbon film with a disordered structure (the so-called “amorphous” carbon), the transition pressure to diamond will be about 10–15 GPa, which is significantly higher than the phase transformation pressure for thin graphite films in this temperature range. It is shown that the increase in the pressure of transformation of a thin layer of “amorphous” carbon is caused by its lower surface energy compared to the surface energy of graphite. It has been established that the region of transformation of a thin graphite-like film with a thickness of about 1 nm, formed on the 2–10 nm nanodiamond surface into diamond will be below the graphite-diamond equilibrium line in the temperature range of 1000– 2500 °C. Additional introduction of purified nanodiamond particles leads to a decrease in the pressure of transformation of thin layers of non-diamond carbon into a diamond structure from 10–15 to 2–7 GPa, which is due to the effect of the surface of catalytically active diamond nanoparticles on the thermodynamic stimulus of phase transformation.Рассмотрен процесс получения наноструктурных алмазных материалов за счет фазового превращения в алмаз тонких пленок на основе неалмазных форм углерода, сформированных на поверхности наноалмаза. Для синтеза наноструктурного алмазного поликристаллического сверхтвердого материала предложены различные варианты исходной шихты на основе наноалмаза с неалмазным углеродом на поверхности (поверхностно-графитизированный наноалмаз, поверхностно-графитизированный наноалмаз с добавкой очищенного наноалмаза, детонационная алмазосодержащая шихта с поверхностным слоем «аморфного» углерода, в т. ч. с добавкой очищенного наноалмаза). Выявлено влияние структуры тонкого неалмазного слоя на параметры перехода графита в алмаз. Для углеродной пленки с неупорядоченной структурой (так называемый аморфный углерод) давление перехода в алмаз составит порядка 10–15 ГПа, что существенно выше давления фазового превращения для тонких пленок графита в данном температурном диапазоне. Показано, что рост давления превращения тонкого слоя «аморфного» углерода вызван его более низкой поверхностной энергией по сравнению с поверхностной энергией графита. Установлено, что область превращения тонкой графитоподобной пленки толщиной порядка 1 нм, сформированной на поверхности наноалмаза размером 2–10 нм, в алмаз будет находиться ниже линии равновесия графит–алмаз в диапазоне температур 1000–2500 °С. Дополнительное введение очищенных частиц наноалмазов приводит к снижению давления превращения тонких слоев неалмазного углерода в алмазную структуру с 10–15 до 2–7 ГПа, что обусловлено влиянием поверхности каталитически активных алмазных наночастиц

Получение алюмоматричного композиционного материала, модифицированного наноструктурным кубическим нитридом бора

The structure and microhardness of an aluminum alloy with additives of nanostructured cubic boron nitride (cBN) after treatment under high pressure and temperature are investigated. А nanostructured powder of cBN with primary particles within 50–200 nm is used as a filler. A preliminary chemical-thermal modifying of the nanostructured cBN, which consists in its high-temperature annealing in the temperature range of 750–950 °C in a medium of aluminum-contai ning compounds, is carried out to increase the chemical affinity of the nanostructured cBN to the aluminum matrix. It is shown that the modifying of nanostructured cBN with aluminum increases the strength of the additives retention in the aluminum matrix. At the same time the increase in the concentration of BN additives from 1.5 to 5 wt.% as well as the increase in the treatment temperature at a fixed pressure promotes the increase in the microhardness of the material by a factor of 1.5 to 2 as compared with the base aluminum alloy without the addition of a modifier. An increase in the cBN concentration to 5 % by weight results in an increase in the fraction of smaller particle conglomerates (1–5 μm) in the material and in a decrease in the size of large inclusions to 10–20 μm. In this case, the distribution of BN particles in the aluminum matrix is more uniform in comparison with a material with a cBN content of 1.5 wt.%. In the material with the growth of temperature up to 1000 °С, cBN in aggregates is recrystallized with the formation of single-crystal (polycrystalline) particles with the size of 1–10 μm  with faceting specific for cBN micron particles.Проведено исследование структуры и микротвердости алюминиевого сплава с добавками наноструктурного кубического нитрида бора (cBN) после обработки в условиях высоких давлений и температур. В качестве наполнителя применяли наноструктурный порошок сBN с размером первичных частиц в пределах 50–200 нм. Для повышения химического сродства наноструктурного cBN к алюминиевой матрице проведено предварительное химико-термическое модифицирование наноструктурного cBN, заключавшееся в его высокотемпературной обработке (отжиге) в диапазоне температур 750–950 °С в среде алюмосодержащих соединений. Показано, что модифицирование наноструктурного нитрида бора алюминием способствует прочности удержания наполнителя в алюминиевой матрице. При этом увеличение в шихте концентрации наполнителя BN от 1,5 до 5 мас.%, а также повышение температуры обработки при фиксированном давлении способствует возрастанию микротвердости материала в 1,5– 2 раза по сравнению с базовым алюминиевым сплавом без добавок модификатора. Повышение концентрации BN  до 5 мас.% приводит к увеличению в материале доли более мелких конгломератов частиц (1–5 мкм), уменьшению размеров крупных включений до 10–20 мкм, при этом распределение включений из частиц BN в алюминиевой матрице более равномерное по сравнению с материалом, содержащим 1,5 мас.% cBN. С ростом температуры до 1000 оС в материале происходит рекристаллизация cBN в агрегатах с образованием его отдельных монокристаллических (поликристаллических) частиц размерами 1–10 мкм, обладающих огранкой, характерной для микрочастиц cBN

ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ ПОРОШКА ШУНГИТА В ВАКУУМЕ НА ЭКРАНИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

The research results of structure, chemical composition, reflection and transmission coefficients of powder shungite after heat treatment at 900 °С for 2 h are presented. According X-ray diffraction study, orthoclase was formed, modifications of carbon saved. Transmission coefficient increased in 12 dB in the range 8-12 GHz.Представлены результаты исследования изменения структуры, химического состава и коэффициентов отражения и передачи электромагнитной энергии порошкообразного шунгита после термической обработки в вакууме при температуре 900 °С в течение 2 ч. Рентгенодифракционное исследование порошка шунгита после термической обработки показало образование ортоклаза и сохранение модификаций углерода. Выявлено увеличение коэффициента передачи электромагнитного излучения на 12 дБ в диапазоне 8… 12 ГГц

Influence of heat treatment in vacuum on shungite shielding properties

The research results of structure, chemical composition, reflection and transmission coefficients of powder shungite after heat treatment at 900 °С for 2 h are presented. According X-ray diffraction study, orthoclase was formed, modifications of carbon saved. Transmission coefficient increased in 12 dB in the range 8-12 GHz