СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОСТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СВЕРХТВЕРДОЙ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА

Изобретение относится к области сверхтвердых керамик на основе алмазоподобного нитрида бора, которые широко используются в качестве рабочих элементов режущего инструмента при обработке закаленных сталей и других труднообрабатываемых материалов, а также - в электронике.

Одной из важнейших характеристик сверхтвердых компактов и композитов из кубического нитрида бора является их термическая устойчивость, поскольку в рабочей зоне инструмента температура может подниматься до 1000°C.

Существуют стандартные методики определения термостойкости (см. ГОСТ 7875-83) огнеупорных изделий по различным параметрам: количеству термоциклов «нагрев-охлаждение» до появления первых трещин, до полного разрушения, до потери 20% первоначальной массы. Они позволяют давать только качественную оценку термостойкости, не выявляя ее связи с другими свойствами материала.

В патенте RU 2131403 С04В 35/00, 1999 «Способ определения термостойкости конструкционных керамических материалов» термостойкость определяют по сравнительным испытаниям на изгиб образцов с надрезом и без надреза до и после термоудара. Для этого изготавливают призматические образцы с боковым надрезом, моделирующим трещину и не содержащим при вершине наведенных дефектов, и без надреза, а термостойкость определяют по величинам отношений: (1-K*_1c/K_1c)·100% и σ₁/σ₂, где K*_1c - критический коэффициент интенсивности напряжений образца после термоудара, K_1c - среднее значение критического коэффициента интенсивности напряжений образцов до термоудара, σ₁ - предел прочности при изгибе надрезанного образца после термоудара, σ₂ - среднее значение предела прочности при изгибе образцов без надреза до термоудара.

В результате снижается ошибка определения термостойкости, имеет место нивелирование влияния фактора объема испытуемого образца на термостойкость, становится возможной количественная оценка сопротивления структуры керамики инициированию термических трещин и ее чувствительности к дефектам, образовавшимся в результате термоудара.

Для сверхтвердых керамик на основе алмаза и кубического нитрида бора проведение стандартизованных испытаний для определения прочности при изгибе или сжатие практически нереализуемо из-за небольших размеров композитов и их высокой стоимости. Поэтому в качестве критерия выбирается, как правило, эксплуатационная характеристика, чаще всего - величина абразивного износа после термического воздействия в сравнении с исходным материалом. Однако и такие методики требуют больших затрат времени и ресурсов, поскольку необходимо задействовать большое количество дорогостоящих образцов.

Известен способ определения термостойкости изделий из сверхтвердых композиционных материалов, описанный в патенте RU №2463372 от 29.08.2008 г., кл. C22C 26/00 - прототип, согласно которому испытуемые образцы нагревают в вакууме до 850°C со скоростью примерно 100°C в час и выдерживают в течение 2 часов, а затем медленно охлаждают до комнатной температуры. После охлаждения проводят спектроскопию комбинационного рассеяния, чтобы определить количество углерода, который перешел из алмазного состояния в графит. Также термообработанные образцы испытывают при фрезеровании гранита без охлаждения, определяя длину прохода до выхода фрезы из строя. Недостатком способа является низкая точность и локальность метода комбинационного рассеяния, т.е. низкая вероятность получения достоверной информации о состоянии всего объема образца.

Для устранения указанных недостатков в предложенном способе, перед термической обработкой, испытуемые образцы дробят до величин фракций размером 100÷500 мкм, а анализ образцов производят рентгенофазовым методом.

При реализации способа проводилась термическая обработка композитов Гексанит-Р, ПТНБ и DBN в среде аргона и с помощью методов рентгенографии определялся их фазовый состав после термического воздействия. На образцах, прошедших термическую обработку, акустическим методом определяли упругие модули и износ при резании закаленных сталей. Было установлено, что значимое снижение характеристик по сравнению с исходными материалами фиксируется при появлении в фазовом составе композитов около 5% гексагональной фазы.

Количество гексагональной фазы в образцах определяли по соотношению интенсивностей на дифрактограммах отражения 002 от базовой плоскости гексагональной фазы к интенсивности отражения 111 кубической фазы. В случае наличия в композите вюрцитной модификации этот пик является суммой отражений 111 кубической фазы и 002 вюрцитной фазы.

Для проведения способа из партии композитов отбираются и дробятся несколько образцов, при этом отбирается фракция порошка с размерами от 100 до 500 мкм. Выбор такого диапазона обусловливается тем, что при нагреве в них слабо проявляются эффекты влияния поверхности, а рентгеновское излучение при анализе после термического воздействия дает информацию о фазовом составе всего объема частиц. Способ обеспечивает получение достоверного результата по термостойкости партии изделий без проведения дорогостоящих эксплуатационных испытаний.

Примеры реализации способа

1. Выбранные для анализа образцы композита-10 (Гексанит-Р) дробятся в металлической пресс-форме до размера частиц менее 0,5 мм. Порошок обрабатывается в смеси соляной и азотной кислот для удаления металлических примесей и просеивается для получения фракции 500÷100 мкм. В трубчатой печи сопротивления градуируется градиентная зона от 500 до 1000°C. Навески порошка с массой не менее 100 мг размещаются в керамической лодочке таким образом, чтобы при помещении в печь они находились в зонах, соответствующих разнице температур 100°C. При этом термопара размещается в печи в зоне с максимальной температурой. Производится разогрев печи до достижения максимальной температуры. Лодочка с образцами вдвигается в печь и выдерживается, после достижения термопарой температуры 1300°C в течение 30 минут, после чего выдвигается в холодную зону. На извлеченных образцах проводится рентгенофазовый анализ и по соотношениям интенсивности пиков кубической и гексагональной фаз определяется температурная стойкость композита.

2. Образцы композита-09 (ПТНБ) дробятся в металлической пресс-форме до размера частиц менее 0,5 мм. Порошок обрабатывается в смеси соляной и азотной кислот для удаления металлических примесей и просеивается для получения фракции 500÷100 мкм. Навески порошка с массой не менее 100 мг размещаются в керамической трубке таким образом, чтобы при помещении в печь они находились в зонах, соответствующих разнице температур 100°C. Трубка герметизируется с двух сторон для пропускания через нее аргона и производится продувка в течение 30 минут. Производится разогрев печи до достижения максимальной температуры, в которой находится термопара. Трубка с образцами вдвигается в печь и выдерживается после достижения термопарой температуры 1300°C в течение 30 минут, после чего выдвигается в холодную зону. На извлеченных образцах проводится рентгенофазовый анализ и по соотношениям интенсивности пиков кубической и гексагональной фаз определяется температурная стойкость композита.

3. Образцы композитов DBN дробятся в металлической пресс-форме до размера частиц менее 0,5 мм. Порошок обрабатывается в смеси соляной и азотной кислот для удаления металлических примесей. Навески порошка с массой не менее 100 мг размещаются в вакуумной печи с отградуированными температурными зонами. Производится откачка рабочего объема до достижения вакуума не ниже 10^-3 Па и разогрев печи со скоростью 20-30°C/мин. до достижения максимальной температуры. После выдержки в течение 30 минут печь охлаждают до комнатной температуры и извлекают образцы. По рентгенофазовому анализу определяется термостойкость композита.

Некоторые результаты проведения рентгенофазового анализа после отжигов дробленых композитов в различных средах приведены в таблице, а на рисунке показаны дифрактограммы образцов до проведения отжига.