Анотація до роботи:

Волкогон В.М. Фізико-технічні основи отримання та управління формуванням властивостей інструментальних полікристалічних надтвердих матеріалів з вюрцитного нітриду бора. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство. – Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2003.

Дисертаційна робота присвячена розробці нових видів полікристалічних надтвердих матеріалів з підвищеними фізико-механічними та експлуатаційними характеристиками на основі вюрцитного нітриду бора і принципів управління формуванням їх властивостей.

Вирішення науково-практичної проблеми полягало у вивченні закономірностей фазових та структурних перетворень у вюрцитному нітриді бору під дією попереднього холодного деформування прокаткою при наявності напружень зсуву, чи при навантаженні в умовах, які приводять до зміни напружено-деформованого стану порошків, а також при гарячому пресуванні в умовах високих тисків в присутності домішок або без них. Управління властивостями полікристалічних матеріалів здійснюється шляхом реалізації різних механізмів фазового перетворення BN_вBN_сф при спіканні полікристалів, обумовлених відповідним структурним та напружено-деформованим станом частинок BN_в.

В результаті виконання досліджень закономірностей фазових і структурних перетворень у вюрцитному нітриді бора при холодному деформуванні з наявністю напружень зсуву і при наступному гарячому пресуванні в умовах високих тисків без чи в присутності добавок, істотно доповнені фундаментальні знання природи фазових перетворень BN_в та вирішено науково-практичну проблему одержання широкого спектру полікристалічних надтвердих матеріалів інструментального призначення на основі щільних модифікацій нітриду бора і керування формуванням їх властивостей.

Основні наукові висновки і практичні результати полягають у наступному:

1. Холодна деформаційна обробка порошків BN_в поряд з ущільненням, супроводжується подрібленням полікристалічних часток і, при деяких умовах, монокристалічних зерен, що викликає зміну їх структури. Деформування порошків прокаткою забезпечує більш інтенсивне протікання зазначених процесів, ніж при використанні високих статичних тисків, і при менших значеннях тисків у зоні деформації, що обумовлено наявністю напружень зсуву. Наявність напружень зсуву в зоні деформацій при прокатці порошків вюрцитного нітриду бора сприяє кількісній зміні його фазового складу, що має місце при тиску в зоні деформації р = 1,4 ГПа. Фазовий перехід BN_вBN_г здійснюється внаслідок руйнування дефектних часток і міжзеренних границь. BN_г знаходиться на поверхні тріщин, які виникли в процесі деформування часток, причому, такі частки характеризуються сильною зміною форми розвиненої поверхні.

2. Руйнування часток порошків BN_в і їх пластична деформація при деформуванні прокаткою здійснюється по базисній і призматичній площинах. Деформація здійснюється пластичними зрушеннями і поворотами областей часток щодо осей, розташованих у площині (0001) - <> та <>. Розвиток поворотів обумовлює двійникування і виникнення скидів, що сприяє зміні форми і переорієнтації розвиненої базисної поверхні часток. Пластичність BN_в при прокатці пояснюється сумарною дією таких факторів: особливостями деформації, а саме, локальною дією одноосьового стиску з накладенням зсуву, деформацією вільних часток пластинчастої форми, що знаходяться в стані фазового наклепу; прикладенням навантаження до розвинених поверхонь часток, огранованих площиною (0001), яка є діючою площиною ковзання.

3. Попереднє деформування порошків BN_в прокаткою в умовах зсуву забезпечує їм підвищену активність фазового перетворення при гарячому пресуванні в порівнянні з деформуванням високими статичними тисками, при цьому, у залежності від величини напружень в зоні деформації початкова температура фазового переходу BN_вBN_сф знижується на 100-200 градусів. Підвищена активність прокатаних порошків обумовлена збільшенням рушійної сили деформаційного фазового перетворення метастабільної вюрцитної фази в стабільну сфалеритну, викликаного напруженнями зсуву в площинах (0001) часток. Збільшення визначається сполученням наступних факторів, що сприяють розвитку зрушень у базисних шарах часток: а) хаотичне розташування розвинених поверхонь (0001) часток-пластин стосовно осьового стиску в апараті високого тиску; б) відмінні риси структурного стану часток після прокатки, такі як менший розмір у розвиненій поверхні, наявність базисних дефектів, пластична зміна форми і переорієнтація розвиненої поверхні.

4. Введення у порошки BN_в наповнювача у вигляді полікристалічних часток приводить до зменшення інтенсивності подрібнення часток BN_в до моменту встановлення р-Т умов, необхідних для здійснення фазового переходу BN_вBN_сф і процес фазового перетворення носить кристалоорієнтований характер. Наявність напружень зсуву, обумовлена негідростатичністю стиску, пов'язаного з присутністю часток наповнювача, полегшує реалізацію зсувних напружень “вюрцит - сфалерит” без повного одномірного розупорядкування структури BN_в, характерного для формування структури гексаніту-Р. Структура матриці матеріалу на основі BN_в з наповнювачем у виді полікристалічних зерен не подібна до структури гексаніту-Р і являє собою суміш дефектних зерен, які цілком або частково здійснили фазове перетворення BN_вBN_сф по кристалорієнтованому механізму, і досконалих зерен BN_сф, що утворилися внаслідок наступної рекристалізації.

5. Введення у вихідні порошки BN_в добавок на основі Si₃N₄ впливає на ріст зерен сфалеритної фази при фазовому перетворенні BN_вBN_сф і сприяє зміні характеристик міцності композиційного матеріалу, за рахунок утворення твердого розчину заміщення. Це прискорює процес збиральної рекристалізації сфалеритного нітриду бора при високих тисках і температурах, що зв'язано з існуванням концентраційних неоднорідностей в твердому розчині й, обумовлених ними, мікровикривленнями в ґратках, які стимулюють процеси рекристалізації.

6. Розроблено технологію гранулювання порошків BN_в прокаткою (А.с. 1623009, СРСР), що разом з мінімізацією температурних градієнтів в АВТ при спіканні (А.с.1603686, СРСР) дозволило одержати полікристали на основі BN_в діаметром до 14 мм, які відрізняються високим ступенем однорідності структури і рівнем властивостей. Промислові випробування ріжучих пластин при обробці деталей металургійного і гірничо-збагачувального устаткування зі сталі 110М13Л показали експлуатаційну стійкість у 2-3 рази вищу, ніж стійкість закордонного аналога на основі кубічного нітриду бора.

7. Розроблено композиційні полікристалічні надтверді матеріали армовані полікристалічними частками гексаніту-А (Пат. №9382 Україна) і матеріалу на основі нітриду кремнію (А.с. №943215 СРСР), який одержав торгову марку композит-12, а також технологію одержання абразивних порошків підвищеної міцності на основі BN_в легованого Si₃N₄. Міцність таких порошків перевершує міцність гексаніту-А в 1,3-1,4 рази, що дозволяє ефективно використовувати їх при виготовленні інструменту для силового і глибинного шліфування.