способ определения термостойкости изделий из сверхтвердой керамики на основе кубического нитрида бора

Формула изобретения

Способ определения термостойкости изделий из сверхтвердой керамики на основе кубического нитрида бора, согласно которому осуществляют термообработку испытуемых образцов в вакууме или в инертном газе с последующим анализом, при котором определяют степень превращения алмазоподобных форм нитрида бора в графитоподобную фазу с гексагональной структурой и по ней судят о величине термостойкости изделий, отличающийся тем, что перед термической обработкой образцы дробят до величины фракций размером 100÷500 мкм, а анализ образцов производят рентгенофазовым методом.

Описание изобретения к патенту

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 ₁/ ₂, где K*_1c - критический коэффициент интенсивности напряжений образца после термоудара, K_1c - среднее значение критического коэффициента интенсивности напряжений образцов до термоудара, ₁ - предел прочности при изгибе надрезанного образца после термоудара, ₂ - 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.