автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка композитов на основе инвертных стеклообразных связующих для повышения работоспособности кубонитового инструмента

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ім. В.М.БАКУЛЯ

На правах рукопису УДК 666.233-419

БОНДАРЄВ КОСТЯНТИН ЄВГЕНОВИЧ

РОЗРОБКА КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ ІНВЕРТНИХ СКЛОПОДІБНИХ ЗВ’ЯЗУЮЧИХ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ КУБОНІТОВОГО ІНСТРУМЕНТУ

Спеціальність 05.02.01- матеріалознавство

Автореферат диссертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 1997

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля, НАН України, м. Київ.

Науковий керівник -

доктор технічних наук, професор Шило Анатолій Юхимович

Офіційні опоненти-

доктор технічних наук, професор Бєлий Яків Іванович (Український державний хіміко-технологічний університет, м. Дніпропетровськ, ректор)

кандидат технічних наук Кайдаш Оксана Миколаївна (Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України, докторант)

Провідна організація:

Київський державний технічнии університет будівництва та архітектури, кафедра “Хімії”

Захист відбудеться “25 ” грудня____________1997р. о годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д50.01.01 при Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України (254074, м.Київ, вул. Автозаводська, 2).

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів.

Відгуки на автореферат дисертації у двох примірниках, засвідчені печаткою, просимо надсилати на адресу Інституту надтвердих матеріалів, вченому секретарю спеціалізованої ради.

Автореферат розіслано “<?/"Листопада 1997р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

АЛ.Майстренко

Актуальність. До стійких тенденцій промислового розвитку належить постійне розширення застосування важкооброблюваних І матеріалів. Слід підкреслити зростання міцності, зносостійкості, твердості таких матеріалів, що призводить до утруднення їх механічної обробки. Підвищуються вимоги до продуктивності операції механічної обробки, зниження її енергоємкості. Підвищуються обмеження по похибкам та якості оброблюваної поверхні. Все це визначає постійний зріст застосування абразивних інструментів з надтвердих матеріалів (НТМ) -алмазів та кубічного нітриду бору (КНБ).

Велика увага у промисловості приділяється абразивному інструменту із алмазів та КНБ на керамічних зв’язках. Ріжучий шар такого інструменту складається з абразивовмісного склокомпозиційного матеріалу. Основне завдання при розробці таких композитів - міцне закріплення частинок абразиву у матриці, створення умов фізичного та хімічного сполучення компонентів композитів з метою збереження індивідуальних властивостей абразиву та наповнювачів в умовах виготовлення та експлуатації інструменту.

Враховуючи зрослі ціни на енергетичні та матеріальні ресурси актуальною є розробка абразивного інструменту, зокрема на керамічній зв’язці, з підвищеними показниками працездатності.

Дисертаційна робота виконувалась за тематикою проблеми “Хімія” по темі “Дослідження склоутворення та кристалізації цинкборосилікатних та свинецьборосилікатних стекол та їх взаємодії з алмазом та кубічним нітридом бору” згідно наказу ДКНТ України від 22.03.1994р.№52 та проблеми “Нові алмазовмісні композиційні матеріали інструментального призначення” по темі “Синтез та дослідження властивостей інвертних склоподібних та склокристалічних матриць для алмазо- та кубонітовмісних композитів інструментального призначення” згідно Постанови ДКНТ України від 4.05.1992р. №12 (№ державної реєстрації 0195У024420).

Мета роботи. Розробка склозв’язки для абразивного інструменту з КНБ на базі вивчення фізико-хімічних процесів взаємодії між компонентами в склокомпозиційних матеріалах.

Наукова новизна. Установлені закономірності впливу хімічного складу свинецьвмісних стекол на їх кристалізаційні властивості, змочування алмазу та КНБ, а також утримання НТМ у склі. Запропонована модель розрахунку в’язкості стекол у інтервалі від розм’якшення до кристалізації. Встановлено зв’язок теплових характеристик скла з діаграмою його стану. Виявлено вплив НТМ (алмаз, КНБ) та наповнювачів (оксид алюмінію, графіт) на теплофізичні, фізико-хімічні та кристалізаційні властивості скла. Розраховано енергію активації

в’язкої течії розплаву кристалізуючого скла та роботу адгезії скла до

НТМ та наповнювачів, а також енергію активації дифузії компонентів

композитів на основі скла. Установлені закономірності процесу спікання

склопорошків та склопорошків з НТМ та наповнювачами. Доведена

кореляція між формою кривої спікання склопорошку і кривої ДТА в

області розм’якшення скла. Установлено вплив складу зв’язок на їх

механічні властивості. Розроблено склад зв’язки абразивного інструменту

з КНБ та доведена ефективність його використання при шліфуванні

сталевих виробів. Новизна розроблених зв’язок захищена патентами

України №17831А та №17839А.

. і

Реалізація результатів роботи. Результати досліджень використані при розробці технології виготовлення абразивних шліфувальних кругів з кубоніту, форми 1А1 125x4x5x32 КР 80/63 - К51-150%, що пройшли промислові випробування та впроваджені у виробництво на Вінницькому інструментальному заводі у технологічному процесі виготовлення сталевих свердл. При однопрохідному профільному шліфуванні свердл із сталі марки Р6М5 у порівнянні з кругами серійного виробництва розроблені круги мають зносостійкість у 1,45 рази більшу та повністю відповідають вимогам процесу шліфування свердл.

Економічний ефект від впровадження розробленого інструменту на Вінницькому інструментальному" заводі складає 1291 грн. на рік у цінах 1996 року.

Особистий внесок автора. Проведені експериментальні дослідження по впливу хімічного складу скла на його властивості. Досліджено властивості композиційних матеріалів на основі інвертних свинецьвмісних стекол. Проаналізовані отримані закономірності та обгрунтовані висновки. Розроблено склад та технологічні параметри виготовлення абразивного інструменту. Результати досліджень перевірені у промислових умовах.

Публікації. Основний зміст роботи викладено у 7 публікаціях, у тому числі 2 патентах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, викладена на 163 сторінках друкованого тексту, вміщує 37 малюнків, 16 таблиць і перелік цитованої літератури з 154 найменувань.

У вступі обгрунтовано доцільність та актуальність роботи, викладена мета, її значення для науки і техніки.

У першій главі проведено аналітичний огляд літератури з питань склоутворення у інвертних стеклах. Показано, що з точки зору властивостей скла стосовно одержання композитів інструментального призначення перспективними є інвертні стекла, до складу яких входить оксид свинцю. Зроблено висновок, що найбільш придатними для таких потреб можуть бути стекла^ які кристалізуються в процесі термообробки. Стосовно свинецьвміщуючих складів скла у літературі відображено декілька точок зору по впливу параметрів теплової обробки та хімічного складу скла на кінцевий продукт термообробки.

Аналіз шляхів регулювання властивостей склокомпозиційних матеріалів показує, що на цей час не існує цілеспрямованого підходу до створення композитів з заданими властивостями. Не з’ясовано багато питань, в тому числі по змочуванню, спіканню, міцності утримання НТМ для стекол різних систем, в тому числі і інвертних. Аналіз літературних даних дозволив припустити, що можливою основою майбутніх склокомпозитів можуть бути стекла різного складу, що вміщують оксиди свинцю, цинку, бору та кремнію.

На завершення першої глави сформульовані мета та завдання досліджень.

Друга глава присвячена об’єктам досліджень та методикам визначення властивостей матеріалів.

У__третій главі приведено результати досліджень властивостей

стекол п’яти систем (табл. 1), які вміщують оксид свинцю: PbO-ZnO-B203-Si02, Pb0-Zn0-B203> Pb0-B203-Si02, РЬ0-В203 та Pb0-Si02.

Таблиця 1 - Хімічний склад стекол (%)

Номер скла РЬО ZnO в?о3 SiO,

мол. мас. мол. мас. мол. мас. мол. мас.

1 50,0 75,3 22,5 12,4 19,0 8,9 8,5 3,4

2 57,7 80,0 23,8 12,0 18,5 8,0 - -

3 62,7 85,0 - - 23,6 10,0 13,7 5,0

4 63,9 85,0 - - 36,1 15,0 - -

5 60,4 85,0 - - - - 39,6 15,0

Встановлено, що стекла всіх систем кристалізуються (рис.1). Найбільш легкоплавким є скло 4 (РЬ0-В203), а найбільш тугоплавким -скло 5 (РЬ0-8і02). Заміна Бі02 на В203 приводить до зменшення схильності до кристалізації. Введення 2пО замість В203 підвищує кристалізаційну здатність, а введення ТпО разом з Бі02 ще більш підвищує кристалізацію скла.

З

Здійснено спробу зв’язати теплові характеристики скла з процесами, що відбуваються у склі (енергія розм’якшення скла Ег, надмірна теплота, що виділяється до початку спікання Е, теплота, яка виділяється у процесі спікання в, теплота кристалізації скла Есг). З наближенням складу скла до лінії розподілу полів кристалізації на діаграмі його стану значення Е, Є та Ег ростуть, а Есг - зменшується. З точки зору спікання склопорошків наведені величини можуть характеризувати слідуюче. Величина Є може характеризувати схильність скла до спікання - чим вона більше, тим краще скло спікається. Величина Е відображає підготовку до спікання, тобто ті структурні перебудови, які йдуть перед початком спікання, або характеризують його початковий етап. З термодінамічних міркувань виходить, якщо енергія виділяється, то система стає більш впорядкованою. Кінетика зміни величин Е та Є підтверджує їх зв’язок з процесом спікання.

510

І,°С

Рис. 1. Термограми стекол у системах:

1- РЬ0-гп0-В203-8і02; 2- РЬ0-гп0-В203;

З- РЬ0-8і02; 4- РЬ0-В203; 5- РЬ0-В203-5і02.

Запропонована модель розрахунків зміни в’язкості в області розм’якшення та кристалізації скла. Вона базується на реперних точках, які є характерними для склоподібних матеріалів (температури Т8, Т{ та Тсг). На базі цієї моделі зроблено розрахунки енергії активації в’язкої течії розплаву стекол системи РЬ0-2п0-В203-5і02, що кристалізується.

Термообробка порошку скла в системі Pb0-Zn0-B203-Si02 приводить до його кристалізації. При температурах 380-400°С виникає лікваційна структура матеріалу. При 400°С утворюються голкоподібні, а при 410°С кристали кубічного габітусу, які являють собою борат свинцю РЬ0'В203. При 510°С у матеріалі виявлено кристали силікату свинцю. Ендоефект на кривих ДТА можна пов’язати з розм’якшенням скла, в якому вже є включення у вигляді лікваційних крапель. Горизонтальна форма ділянки кривої ДТА між температурами розм’якшення та кристалізації пояснюється накладанням процесів розм’якшення, перебудови лікваційної структури та кристалізації. В результаті цих процесів ендо- та екзотермічні ефекти накладаються з практично повною їх компенсацією.

Скло в системі Pb0-Zn0-B203 починає кристалізуватися з температури 430°С з виділенням кристалів боратів цинку та свинцю, які не зникають до 600°С.

Термообробка скла системи Pb0-B203-Si02 приводить до кристалізації силікату свинцю.

Для скла у системі РЬ0-В203 з допомогою рентгеноструктурного аналізу та ДТА зафіксована наявність кристалів. Дослідження довели, що на характер кристалізації суттєво впливає швидкість нагріву. Так, при швидкості ЗО град/хвил. на кривій ДТА фіксується декілька екзоефектів. Таким чином, у цьому склі виділяється декілька кристалічних фаз, але мала кількість кожної з них не дозволяє їх ідентифікувати.

Скло системи Pb0-Si02 починає кристалізуватися з температури 500°С. Кристали силікату свинцю зникають при 600°С.

Стекла починають спікатися в інтервалі розм’якшення. Процесс спікання контролюється в’язкістю скла, про що свідчить залежність усадки від лікваційних явищ у стеклах. Кристалізації сприяє також попередня ліквація.

Таким чином, досліджені стекла п’яти систем по вивченим властивостям можуть бути застосовані як матриця композиційного матеріалу зв’язки. Для більш повного аналізу треба вивчити властивості стекол цих систем стосовно створення композитів з НТМ на основі досліджених стекол.

Четверта глава присвячена вивченню властивостей склоабразивних композитів на базі алмазу та КНБ.

Розплави стекол усіх систем крім Pb0-Si02 змочують алмаз та КНБ в інтервалі температур 410-460°С (рис. 2). Установлено наявність на кривих змочування перегину, що припадає на інтервал температур, при яких проходить кристалізація скла. Така картина найбільш характерна для КНБ. Це пояснюється більш сильною взаємодією залишкової після кристалізації склофази з нітридом бору.

На прикладі найбільш легкоплавкого скла у системі РЬ0-В203 досліджено процеси, які можуть проходити при спільній термообробці скла з НТМ. Введення в порошок скла порошків алмазу та КНБ різної

Рис. 2. Змочування КНБ розплавами стекол у залежності від

температури:

1- РЬ0-В203; 2- РЬ0-гп0-В203-5Ю2;

З- РЬ0-В203-5Ю2; 4- РЬ0-гп0-В203.

Рис. 3. Спектри поглинання кубоніту КМ 1/0(1), скла (2) та механічних сумішей кубоніту та скла, оброблених при температурі (°С):

З- похідна; 4- 500; 5- 600; 6- 700; 7- 800.

зернистості приводить до згладжування ефекту кристалізації та переміщення теплових ефектів розм’якшення та кристалізації скла. Розрахунки роботи адгезії розплавів скла до алмазу та КНБ (табл. 2) показали, що її значення збільшуються з ростом температури та складають при температурі 490°С 319,6 мДж/м2. Спільна термообробка скла з алмазами за результатами інфрачервоної спектроскопії дозволила встановити, що при температурах починаючи з 800°С проходить взаємодія між розплавом скла та алмазом. Для кубоніту взаємодія починається з 500°С (рис. 3).

Таблиця 2 - Робота адгезії при змочуванні розплавом скла НТМ та

наповнювачів _____

Матеріал підложки Температура, °С 0, град <**> мДж/м2 Wa, мДж/м2

410 86 158,5 169,4

420 63 158,7 230,8

Алмаз 430 50 158,8 260,9

460 40 159,3 281,3

480 16 159,6 313,0

490 0 159,8 319,6

410 90 158,5 158,5

420 70 158,7 213,0

КНБ 430 65 158,8 225,9

460 ЗО 159,3 297,3

480 18 159,6 311,4

490 0 159,8 319,6

430 71 158,8 210,5

Оксид алюмінію 450 40 159,2 281,2

460 15 159,3 313,2

470 0 159,5 319,0

480 87 159,6 173,5

490 51 159,8 260,4

Графіт 500 39 160,0 284,3

510 21 160,1 309,6

520 0 160,3 320,6

Для матриць абразивного інструменту велике значення має така характеристика, як утримання зерен НТМ. Серед п’яти складів тільки скло у системі Pb0-Si02 до температури 800°С не утримує зерен алмаза та КНБ. Чотири інші типи скла здатні добре утримувати НТМ, але в різній мірі (табл. 3). Максимальне утримання алмазу та КНБ має скло системи PbO-BjO-,. На прикладі скла системи Pb0-Zn0-B203-Si02, що найбільш повно кристалізується, доведено позитивний вплив кристалізації на утримання НТМ.

Таблиця 3 - Утримання НТМ у стеклах

Скло Темпера- Утримання, МПа

тура,°С Алмаз Кубоніт

450 7,36 9,92

480 8,55 12,08

Pb0-Zn0-B203-Si02 510 12,49 18,03

550 48,40 72,26

630 41,87 64,86

Pb0-Zn0-B,03 550 129,55 79,99

Pb0-B203-Si02 550(КНБ) 620(алмаз) 75,21 25,22

РЬО-В,От 530 114,50 150,51

Встановлено хімічний характер взаємодії скла з алмазом та КНБ. При високих температурах можлива взаємодія алмаза та КНБ з склом по реакціях РЬО + С -> Pb + СО та РЬО + BN -> РЬ + В203 + N2. У результаті цього виділяються газоподібні речовини, що приводить до спучення розплаву скла та різкого зниження утримання зерен НТМ. Але, наприклад, при температурі 530°С для скла 4 така взаємодія незначна. Внаслідок цього утримання зерен НТМ має достатньо високе значення і складає для алмаза 114,5 та для КНБ 150,51 МПа.

Враховуючи результати досліджень властивостей стекол по відношенню до НТМ (змочування, взаємодія, утримання та інші) як зв’язуюче вибране скло в системі РЬО - В203. До позитивних рис цього скла відноситься його малокомпонентність.

Розробці та дослідженню властивостей композиційного матеріалу зв’язки абразивного інструменту присвячена п'ята глава. Згідно з завданням роботи у ролі наповнювачів з метою підвищення зносостійкості взято електрокорунд, а з метою пом’якшення умов праці та підвищення теплопровідності робочого шару інструменту у ролі твердої змазки використано графіт. Введення, наприклад, ЗО об.% графіту у скло підвищує теплопровідність матеріалу у 13 разів.

Введення у скло електрокорунду різної зернистості (від З мкм до 250 мкм) у цілому приводить до зміни характеру кривої ДТА. При цьому екзотермічний ефект, який властивий склу, послабшується. Це можливо віднести за рахунок розчинення оксиду алюмінію у розплаві скла та розподілу скла на поверхні великої кількості частинок наповнювача, що приводить до згладжування ефекту кристалізації.

Розплав скла змочує оксид алюмінію починаючи з 430°С, а графіт з 480°С. Повне змочування досягається відповідно при 470 та 520°С. Графіт починає окислюватися при температурах вище 400°С. Інтенсивне окислювання припадає на інтервал 600-700°С. Скло уповільнює окислювання графіту і воно відбувається при температурах на 100°С вище, ніж без скла.

За результатами ІЧ-спектроскопії в інтервалі температур 500-800°С можлива взаємодія між розплавом скла та графітом.

Робота адгезії скла до оксиду алюмінію одного порядку з цією величиною, наприклад, одержаною при температурі 800°С для натрійборосилікатного скла. А робота адгезії до графіту до 10 разів більша, ніж для того ж скла.

Вивчення процесів на границі контакту розплаву скла з оксидом алюмінію та графітом дало змогу встановити, що значення коефіцієнтів дифузії збільшується з ростом температури та часу (табл. 4). Але, починаючи з часу більше 45 хвилин та температури 475°С дифузійні процеси уповільнюються. Це пов’язано з кристалізацією скла та відновленням свинцю зі скла на контакті з графітом. Ширина контактної зони у системі скло-оксид алюмінію залежить в більшій мірі від часу, ніж від температури. При температурі термообробки 450°С ширина контактної зони для матеріалів скло-оксид алюмінію в залежності від часу витримки склала 50 мкм (ЗО хвилин), 100 мкм (45 хвилин) та 200 мкм (60 хвилин).

Дослідження параметрів процесу спікання скла та склокомпозиційних матеріалів показало, що спікання скла йде у три стадії (рис. 4).

Таблиця 4 - Коефіцієнти та енергія активації дифузії

Об’єкт Т,°С Час, хвил Б, см 2/с Бо Енергія активації й, кДж/моль

Скло+графіт (РЬ -> графіт) 450 ЗО 45 60 3,21107 8,5510'7 1,0910'7 7,22 88,05

475 ЗО 45 9.4010-7 2,5510'7

500 45 60 9,05 107 1,32107

Скло+оксид алюминію (РЬ -> оксид алюминія) 450 ЗО 45 60 ЇДОЮ7 1,23107 9,0110‘8 18,43 9,33

475 45 9,60108

500 ЗО 45 1,12 107 9,68 108

Скло+оксид 450 ЗО 1,00 107

алюмінію 45 4,ЗОЮ8

(А1 -> скло) 60 6,4210 8

475 45 7,07108 12,58 16,03

500 ЗО 6,74108

45 6,54 10‘8

гг

OJ0

o,ce 0,os

0,0k

0,02

Qfit

V/ — ^— /

//2 /і

і

15 30 45 60 SOepV

Рис. 4. Кінетика спікання скла при температурі (°С):

1 - 330; 2 - 340; 3 - 350.

Введення порошків електрокорунду та графіту не міняє кількості стадій.' При цьому мікропорошки зменшують усадку у порівнянні зі склом у 1,2-1,7 рази, а шліфпорошки - у 1,1-1,2 рази. Введення графіту зменшує усадку у 3 рази. Показано, що з ростом зернистості порошку електрокорунду усадка збільшується. Це пояснюється тим, що при збільшенні зернистості порошків наповнювача зменшується їх питома поверхня. Зменшення питомої поверхні веде до зменшення структурної в’язкості і, як слідство, до підвищення усадки. Так, композити з порошками алмазу та КНБ зернистістю 20/14 усаджуються в 1,1 - 1,2

рази менше, ніж скло, а з порошками 100/80 - у 1,2 - 1,3 рази менше.

Суттєво відрізняється усадка високонаповнених композитів скло -оксид алюмінію - графіт - НТМ від композитів скло - оксид алюмінію, скло - графіт та скло - НТМ. Спікання композиту скло-оксид алюмінію -графіт - НТМ протікає при температурі 500°С, коли у матеріалі є рідка фаза із значно меншою в’язкістю, ніж при спіканні останніх трьох композитів (температура 350°С). У зв’язку з цим при температурі 500°С більш активно йдуть процеси змочування, дифузії та взаємодії між контактуючими матеріалами. Усадка композитів скло - оксид алюмінію -графіт - НТМ залежить від марки НТМ. Для композитів з алмазом АС6 100/80 досягнуто зниження усадки у порівнянні із склом у 12 разів, тоді як композит з кубонітом КР 100/80 має усадку у 3,5 рази менше, ніж у скла. Це пояснюється тим, що скло взаємодіє з КНБ. При цьому створюються інші умови спікання у порівнянні з алмазом. Така ж різниця в усадці одержана і для мікропорошків НТМ (для алмаза зниження усадки у 4 рази, для кубоніта у 2,6 рази). Енергія активації спікання скла дорівнює 182,4 кДж/моль.

З метою уточнення уявлення про спікання порошків скла дослідження провадились на модельних системах кулеподібних частинок скла. За характером процесу йде спікання за рахунок в’язкої течії скла. Крім цього, проведено розрахунки з використанням одержаних результатів усадки скла системи РЬ0-В203 по рівнянню АУ/У=ЗДЬ/Ь=9уІ/4тіг (у - поверхневий натяг; І - час; ті - в’язкість; г -радіус частинки скла).

Розраховані дані усадки співпадають з даними, що отримані експериментально. Таким чином, установлено, що спікання склопорошків відбувається по механізму в’язкої течії.

Проведені дослідження дозволили розробити конкретний склад зв’язки та технологію виготовлення інструменту. Механічні властивості матеріалу зв’язки залежать від його кількісного складу. Введення електрокорунду зернистістю 10 мкм від 5 до ЗО об.% приводить до підвищення міцності при згині з 12,7 до 40,2 МПа. При зернистості електрокорунду 160 мкм міцність при згині дорівнює 15-19 МПа і практично не залежить від кількості наповнювача. Ударна в’язкість практично залишається незмінною і дорівнює 2,3-2,9 кДж/м2. Основні властивості досліджених матеріалів приведені в табл. 5.

На зв’язці розробленого складу виготовлені та випробувані у промислових умовах на Вінницькому інструментальному заводі шліфувальні круги з кубоніту форми 1А1 125x4x5x32 КР80/63-К51-150. При однопрохідному профільному шліфуванні гвинтових канавок свердл із сталі Р6М5 у порівнянні з серійними кругами шліфувальні круги на розробленій зв’язці мають зносостійкість у і;45 разу більшу. Круги впроваджено в промислове виробництво на цьому заводі. Очікуваний річний економічний ефект тільки за рахунок зниження вартості інструменту складає у цінах 1996 року 1291 грн.

Таблиця 5 - Основні технологічні параметри виготовлення та фізико-механічні властивості розроблених матеріалів

Властивості Скло 4 Зв’язка К51

Температура виготовлення, °С 1000 -

Температура розтікання, °С 360 -

Температура початку кристалізації, °С 350 -

Температура термообробки, °С - 540

Тривалість витримки, год 1 0,5-1,5

Щільність, т/м3 6,40 4,88

Ударна в’язкість, кДж/м2 2,9 • 2,6

Міцність при згині, МПа ■ 39,0 27,0

Твердість, од. НШ5Т 90 50

Мікротвердість, МПа 1880 -

Температурний коефіцієнт лінійного розширення, сгІО7 град'1 92 12

Коефіцієнт теплопровідності, Вт/мК 0,29 3,90

Контактний кут змочування (450°С), град: - на алмазі - наКНБ - на графіті (500 °С) - на оксиді алюмінію 42 32 35 40 -

Робота адгезії (450°С), мДж/м2 - до алмазу - доКНБ - до графіту (500 °С) - до оксиду алюмінію 280 297 284 313 -

Утримання (530°С), МПа: - алмазу - КНБ 115 151 -

Основні висновки

У результаті теоретичних та експериментальних досліджень властивостей стекол та композиційних матеріалів на їх основі одержані такі наукові та практичні результати.

1. Досліджені стекла у системах Pb0-Zn0-B203-Si02) PbO-ZnO-В203, Pb0-B203-Si02, РЬ0-В203 та Pb0-Si02 та показано:

- стекла кристалізуються в інтервалі температур 410-510°С, кристалізації передуває та сприяє ліквація;

- можливість розрахунків в’язкості стекол при їх розм’якшенні та кристалізації на основі запропонованої моделі;

- енергія активації в’язкої течії розплавів досліджених стекол складає 8,36 - 8,88 кДж/моль;

- наявність кореляції між тепловими характеристиками стекол та

діаграмами їх стану. '

2. Досліджено вплив порошків НТМ (алмаза і КНБ), та наповнювачів (оксиду алюмінію та графіту) на властивості стекол та встановлено:

- розплави стекол змочують поверхню досліджених твердих фаз. З підвищенням температури змочування поліпшується;

- розрахована робота адгезії розплава скла до алмазу, КНБ, оксиду алюмінію та графіту складає відповідно 169-319; 158-319; 210-319; 173-321 мДж/м2;

- при спільній термообробці у системах розплав скла - наповнювач проходять дифузійні процеси, інтенсивність яких підвищується з температурою та часом. Розраховано енергію активації та коефіцієнти дифузії у системі розплав скла - наповнювач.

3. Доведено, що спікання склопорошків протікає по механізму в’язкої течії. Енергія активації спікання порошків скла дорівнює 182,4 кДж/моль. Введення у скло НТМ та наповнювачів приводить до зниження усадки у 1,1-12 разів у порівнянні з похідним склом.

4. Встановлено кореляцію між усадкою при спіканні та ендоефектом розм’якшення скла на кривій ДТА.

5. Визначено утримання зерен НТМ у стеклах п’яти систем. Максимальне утримання має скло у системі РЬ0-В203. Закріплення зерен алмазу та КНБ супроводжується встановленням хімічних зв’язків із склом.

6. По комплексу властивостей скло системи РЬ0-В203 прийнято за основу композиційного матеріалу зв’язки.

7. Визначені механічні властивості матеріалів зв’язки на основі свинецьборатного скла з різним вмістом наповнювачів. Доведено, що максимальні величини міцності при згині, ударної в’язкості та твердості мають композити, що вміщують 30об.% графіту та 30об.% електрокорунду.

8. На основі розроблених композиційних матеріалів виготовлені та випробувані на Вінницькому інструментальному заводі шліфувальні круги із кубоніту. У порівнянні з серійними кругами аналогічних характеристик круги на розробленій зв’язці мають зносостійкість у 1,45 разу вище. Круги впроваджено у промислове виробництво. Очікуваний економічний ефект складає 1291 грн.

Основний зміст дисертаційної роботи викладений у слідуючих публікаціях:

1. Исследование смачивания поликристаллов КНБ боратными стеклами / А.Е. Шило, A.C. Смоляр, С.А. Кухаренко, Я.Л. Сильченко, К.Е. Бондарев // Сб.науч.трудов. Физико-химические процессы на межфазной границе при синтезе алмазов и формировании алмазосодержащих композитов.-Киев.-ИСМ.-1993.-С.81-85.

2. Шило А.Е., Смоляр A.C., Бондарев К.Е. Вязкость кристаллизующихся стекол// Сб.науч.трудов. Композиционные материалы на основе алмазов и кубического нитрида бора для изготовления инструмента.-Киев:-ИСМ.- 1994.-С.58-64.

3. Бондарев К.Е. К вопросу об интерпретации некоторых участков кривых ДТА кристаллизующихся стекол// Сб.науч.трудов. Композиционные материалы на основе алмазов и кубического нитрида бора для изготовления инструмента.-Киев:-ИСМ.-1994.-С.65-69.

4. Шило А.Е., Бондарев К.Е. Исследование процессов, происходящих на границе контакта свинцовоборатного стекла с графитом и оксидом алюминия//Сверхтвердые материалы.- 1996.-№5.- С.18-23.

5. Шило А.Е., Бондарев К.Е. Композиционный материал на основе кристаллизующегося стекла//Сверхтвердые материалы,- 1997.-№6.- С.25-28.

6. Патент 17831А Україна, МПК6 В24ДЗ/14, В24ДЗ/34. Зв’язка абразивного інструменту //А.Ю.Шило, К.Є.Бондарєв; Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України,- Заявл. 14.03.97, Опубл. 3.06.97.

7. Патент 17839А Україна, МПК6 В24ДЗ/14, В24ДЗ/34. Зв’язка абразивного інструменту //А.Ю.Шило, Є.К.Бондарєв, С.А.Сідорко, К.Є.Бондарєв, В.О.Коновалов, М.В.Форносов; Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М.Бакуля НАН України - Заявл. 14.03.97, Опубл. 3.06.97.

Бондарев К.Е. Разработка композитов на основе инвертных стеклообразных связующих для повышения работоспособности кубонитового инструмента.

Рукопись диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности-05.02.01.- материаловедение.

Институт сверхтвердых материалов им. В.Н.Бакуля НАН Украины, Киев, 1997.

В работе представлены результаты исследований свойств стекол систем Pb0-Zn0-B203-Si02, Pb0-Zn0-B203, Pb0-Zn0-Si02, РЬ0-В203, PbO-SiOz, а также стеклоабразивных и композиционных материалов на основе стекла системы РЬ0-В203. На основании изучения физико-химических процессов взаимодействия стекол с СТМ (алмаз, КНБ) и наполнителями (графит, оксид алюминия) разработана стеклосвязка для абразивного инструмента из-КНБ. Абразивный инструмент на разработанной связке внедрен в промышленности.

ANNOTATION

Bondarev К. Working out of composites on the base of invert glasslike binders for increasing of workability of boron nitride instruments.

Manuscript of dissertation work for the degree of candidate of technical sciences by speciality-05.02.01.-science about materials.

Institute for superhard materials of V.N.Backul NAS of Ukraine, Kiev, 1997. Results of investigations of properties of glasses in systems Pb0-Zn0-B203-Si02, Pb0-Zn0-B203, Pb0-Zn0-Si02, Pb0-B203, Pb0-Si02 and composites on the base of glass of system Pb0-B203 are presented. Binding material for cubic boron nitride abrasive tools was worked out due to studing of phisical and chemical processes of glass, superhard material (diamond, CBN) and fillers (graphite, aluminium oxide) interaction. Abrasive tool on this binder introduced into industry.

Ключові слова: скло, алмаз, кубоніт, кристалізація, властивості скла, композит, абразивний інструмент, впровадження.