The dynamic tensile strength limit R_m^d of superhard BL-group ceramic materials synthesized by HPHT sintering in the cBN–TiC–Al, cBN–TiCN–Al, cBN–TiC–WC–Al, cBN–Ti 4 WC 5 –Al, and cBN–NbC–Al systems has been investigated. It has been shown that R_m^d of these composites is ranged within 271–378 MPa, being quite sufficient for their use in cutting tools for metalworking.

Using the x-ray diffraction method, we study in detail a series of polycrystalline cubic boron nitride (PcBN) composites of the cBN-{TiN, ZrN, HfN, VN, NbN}-Al and cBN- {TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC}-Al systems (with a charge composition of 60 : 35 : 5 vol.%) sintered at high pressures and high temperatures (HPHT): 7.7 GPa, 1600-2450 degrees C. As shown, the crystal structure of each nitride Me N or carbide Me C (Me = Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta) existing in these composites belongs to a modified NaCl-type structure with the additional position for nitrogen atoms that results in the accumulation of N-atoms' excess in the near-surface layers of composites. Al atoms of the charge are embedded into the Me C crystal lattice at certain sintering temperatures forming substitutional solid solutions based on a relevant metal Me . The existence ranges of temperature and composition of Me N 1+ d , Me CN d , and Me 1 - x Al x CN d solid solutions formed at HPHT sintering are determined. As shown, the crystal-structure features revealed in these solid solutions are in a good agreement with theoretical assumptions on the solid-phase interaction of the charge components at sintering. Thus, the accumulation of nitrogen in Me N and Me C phases is described within the atomistic diffusion model. Using the data on the excess of N in nitrides as the reference values, the main parameters of nitrogen diffusion (activation energy and rate constant) within the cBN-{TiN, HfN, VN, NbN}-Al composites are determined. The formation of Al solid solutions at certain modes of HPHT sintering is explained by the mechanism of interaction of liquid aluminium with Me C, which is preceded by the active formation of vacancies in the metal sublattice of these carbides. Methodologically, the x-ray diffraction study data are applied for the first time to determine the main parameters of the N-atoms' migration towards the surface of a composite at its HPHT sintering.

The effect of wSiC and wSi3N4 whiskers on the ultimate dynamic tensile strength R_m^d of superhard BL group cBN composites synthesized in the cBN–NbN–Al and cBN–NbN–Al2O3 systems is considered. It is demonstrated that R_m^d is ranged from 182 to 333 MPa and depends on the character of a filler. It is pointed out that the addition of wSiC whiskers to the initial sintering mixture increases R_m^d of sintered ceramic averagingly by 10–15

Методом рентгенівської дифрактометрії детально досліджено кристалічну структуру нітриду ванадію (VN), який поряд з кубічним нітридом бору (cBN) наявний у керамоматричних композитах, отриманих HPHT спіканням (тиск 7,7 ГПа, температура 1600—2450 °С) попередньо механохімічно активованої шихти складу cBN—VN—Al (60 : 35 : 5 об. %). На підставі рентгеноструктурних розрахунків встановлено, що дефектна кристалічна структура вихідного нітриду шихти VN типу NaCl під впливом баротермічного навантаження модифікується за рахунок міграції додаткових атомів азоту з середини композита на його поверхню. Ці додаткові атоми азоту в структурі VN cтатистично розміщуються по вершинах октаедрів, розташованих навколо наявних вакансій атомів азоту з основної ґратки типу NaCl. Збагачення поверхні композита cBN—VN—Al азотом повинно позитивно впливати на деякі його поверхневі властивості, на кшталт мікротвердості та зносостійкості (як це виявлено раніше для композита cBN—TiN—Al) і забезпечувати високі експлуатаційні характеристики отриманого надтвердого керамоматричного матеріалу, призначеного для високошвидкісного (300—500 м/хв) оброблення легованих та нержавних сталей.

Методом рентгеноструктурного аналізу детально досліджено кристалічну структуру карбіду титану (TiC) і нітриду ванадію (VN), які поряд із супутніми фазами містяться в композитах, отриманих HPHT (high pressure, high temperature) спіканням (7,7 ГПа, 1750—2300 °С) сумішей cBN—TiC—VN—Al двох складів (об. %): 60 : 17,5 : 17,5 : 5 і 60 : 25 : 15 : 5. Встановлено, що в результаті твердофазної взаємодії між TiC та VN, а також між TiC та алюмінієм зв’я'зки у продуктах спікання утворюються багатокомпонентні тверді розчини — (Ti,V)(C,N) та (V,Ti)N за температур 1750—1900 °С і (Ti,V,Al)(C,N) та (V,Ti)(N,C) за температур 2000—2350 °С. Кристалічні структури цих розчинів належать до модифікованої структури типу NaCl, яка містить додаткову правильну систему точок для розміщення атомів азоту та вуглецю. Визначено їх елементний склад. На основі аналізу отриманих у роботі рентгеноструктурних даних та отриманих раніше даних XEDS досліджень встановлено, що утворення зазначених твердих розчинів відбувається за двома основними механізмами: по-перше, це дифузія вивільнених у результаті розпаду VN та cBN потоків атомів азоту, які через наявний у реакційній зоні градієнт температур прямують до поверхні композита; по-друге, це міжфазна взаємодія металів Ti та V через границі зерен фаз TiC та VN, що контактують, а також міжфазна взаємодія зерен фази TiC з рідким алюмінієм зв’я'зки. У перспективі виготовлена певним способом суміш дрібнокристалічних багатокомпонентних карбонітридів (Ti,V)(C,N) та (V,Ti)(N,C) може слугувати функціональною домішкою для покращення механічних властивостей виробів з медичного титану ТВ6.

The crystal structure of MeN nitrides, existing in the surface layers of PcBN composites of cBN-{TiN, ZrN, HfN, VN, NbN}-Al systems (composition, vol.%: cBN: MeN: Al as (60:35:5, vol.%) sintered at high pressure and high temperature (HPHT, 7.7 GPa, 1600-2450 °C), was studied in detail using the X-ray diffraction structural analysis method.It was shown that the crystal structure of each MeN nitride belonges to the modified NaCl type structure with an additional position partially filled by the nitrogen atoms.The presence of such a position leads to a certain excess of nitrogen on the sample's surface, the source of which is nitrides from the depth of the composite.It is shown that the diffusion of nitrogen atoms through defects and lattice sites of MeN crystal lattices from the bulk to the surface of composite plays an important role in the formation of crystal structures of MeN nitrides at the barothermal conditions.Using the results of X-ray diffraction structural calculations as reference values, the main parameters of this diffusion process (activation energy and rate constant) were determined for cBN-{TiN, HfN, VN, NbN}-Al composites.It is shown that the activation energy of diffusion increases in HfN → TiN → VN → NbN series and correlates with the formation enthalpy of each MeN nitrides.

Методом рентгенівської дифракції вивчено фазовий склад продуктів HPHT спікання (7,7 ГПа, 1600—2450 °С) систем cBN—TiC—Al, cBN—ZrC—Al та cBN—HfC—Al (об’ємне співвідношення компонентів шихти 60 : 35 : 5). Встановлено, що твердофазні реакції в цих системах ініціюються за температур баротермічної обробки, вищих за 2000 °С, і спричинюють утворення боридів відповідного металу (MeB2) та AlN. На основі рентгеноструктурних розрахунків кристалічної структури окремих фазових складових показано, що за високих температур HPHT спікання бориди MeB2 розчиняють невелику кількість алюмінію, а вихідні монокарбіди MeC перетворюються в карбіди MeCʹ, які в дійсності являють собою тверді розчини Me1–xAlxC, що містять до ≈8, ≈7 та ≈6 ат. % Al для TiC, ZrC та HfC відповідно. Механізм накопичення алюмінію в металевій підґратці твердих розчинів Me1–xAlxC здійснюється через попереднє утворення в структурах вихідних карбідів MeC вакансій, кількість яких корелює зі значенням ентальпії утворення цих карбідів.

Ceramic-matrix composites based on cubic boron nitride (cBN) with binders, containing refractory compounds of transition metals and aluminum, are widely used for high-speed

Із застосуванням методу рентгенівської дифракції докладно досліджено кристалічну структуру карбіду титану (TiC), який поряд із супутніми фазами міститься в продуктах механохімічного синтезу шихти складу 80 мол. % TiC та 20 мол. % ZrC, а також у композитах, отриманих HPHT спіканням (7,7 ГПа, 1750—2300 °С) шихти складу 60 об. % cBN, 25 об. % TiC, 10 об. % ZrN та 5 об. % Al. Встановлено, що в результаті твердофазної взаємодії TiC з ZrC або з ZrN (молярне співвідношення TiC до ZrC або ZrN приблизно 3 : 1) утворюються тверді розчини, що містять до 11 ат. % цирконію. Конкретніше, дефектний за атомами металу твердий розчин (Ti,Zr)1–δC утворюється вже після тригодинної механохімічної обробки шихти у високоенергетичному планетарному млині, а насичений азотом твердий розчин (Ti,Zr)(C,N)1+δ утворюється в умовах HPHT спікання за температури понад 1900 °С.

In this work NiC carbides were manufactured by HP-HT sintering of mechanically alloyed charges of the elemental Ni–carbon nanotubes (CNT) or Ni–Graphite. Structural features of the materials obtained were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. X-ray diffraction studies have revealed that the crystal lattice of nickel carbide obtained from mechanically alloyed Ni–CNT charge is supplemented with additional Carbon atoms from the graphite shell of the high-pressure cell at HT-HP sintering. On the other hand, nickel carbide fabricated from mechanically alloyed Ni–Graphite charge retains its composition. It is shown that materials studied in this work demonstrate an advanced value of microhardness (up to 7 GPa).

Методом рентгенівської дифракції детально досліджено кристалічну структуру TiN, який поряд з cBN і продуктами реакційної взаємодії компонентів шихти (TiB2 та AlN) існує в композитах, отриманих HPHТ- спіканням (7, 7 ГПа, 1750–2300 °С) шихти складу 60 об. % cBN, 35 об. % TiN та 5 об. % Al. На основі рентге- ноструктурних розрахунків для кристалічної структури нітриду TiN запропоновано модель модифікованої структури типу NaCl, яка характеризується наявністю додаткових атомів азоту, що статистично розміщуються по вершинах октаедрів, розташованих навколо наявних вакансій атомів азоту з основної ґратки типу NaCl. Показано, що в процесі HPHT-спікання TiN виступає як джерело додаткового азотування поверхні композита, яке найефективніше діє в інтервалі температур 2000–2150 °С, в якому зафіксовано максимальну величину мікротвердості композита cBN—TiN—Al в 31—32 ГПа.

The physicomechanical properties and structure of superhard cBN–Ti 4 WC 5 –Al materials were studied. The materials were sintered under a pressure of 7.7 GPa within a broad range of temperatures (1600–2450°C). The formation of a dense material with high physicomechanical properties was found at a sintetring temperature of 1800°C. A further increase in the sintering temperature had a negligible effect on the properties of sintered materials. The formation of titanium diboride and a slight increase in the unit cell parameters of Ti 4 WC 5 were revealed at sintering temperatures above 2000°C. According to X-ray diffraction analysis, this might be due to the diffusion of Al into the Ti 4 WC 5 lattice. Cutting performance in the longitudinal turning of stainless steel AISI 316L correlated with the sintering temperature, and the average tool wear was ranged within 60–82 µm.

The sintering of cubic boron nitride (cBN) based ceramic matrix materials with zirconium carbide and aluminum has been carried out under high pressures and temperatures. The performed study has revealed that the interaction between mixture components with the formation of a new phase, namely, zirconium diboride (ZrB 2 ) occurs at sintering temperatures above 1750°C and an applied pressure of 7.7 GPa. A further increase in the sintering temperature leads to a growth in the volume ZrB 2 content and reduces the microhardness and crack toughness of the studied materials. The flank wear of specimens under the conditions used for the processing of AISI316L stainless steel ( v c = 300 m/min, t = 300 s) grows with an increase in the sintering temperature to attain the critical value VB = 325 µm, when the specimen sintered at temperature of 2300°C is used, and VB = 200 µm for the specimen sintered at 1750°C.

Автори висловлюють подяку канд. фіз.-мат. наук, ст. наук. співробінику фізичного факультету КНУ ім. Т.Г. Шевченка Н.М. Білявиній за інтерпретацію результатів рентгенівського фазового аналізу та участь в обговоренні результатів. Дослідження виконано в рамках European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme проект Flintstone2020 (грант № 689279).

Стрімкий розвиток машинобудування та постійно зростаючий попит на металообробку ставить перед прикладним матеріалознавством сьогодення декілька важливих завдань [1].Насамперед комерційно доступні керамічні матеріали для обробки різанням повинні мати досить високу твердість, термостійкість та значну хімічну інертність щодо складових найпоширеніших марок сталей [2

Ceramic matrix composites based on cubic boron nitride with a TaC binder phase are sintered under conditions of high pressure and high temperature. The sintering is carried out in a high-pressure apparatus of the toroid type in the temperature range of 1450–2450°C. It is shown that a chemical reaction between components of the mixture with the formation of TaB2 takes place at a sintering temperature above 2150°C. The microhardness of the composites increases with an increase in the sintering temperature and reaches a maximum value (34 GPa) at 2150°C. The composites show high resistance to mechanochemical wear when used for high-speed machining of nickel-based alloy Inconel 718.

The influence of the sintering temperature on the mechanical properties of cBN-based ceramic composites with binders in form of vanadium compounds is investigated by methods of physical material science. Two compositions are selected for the study cBN–VC–Al and cBN–VN–Al with 60% vol. of cBN. Samples are obtained by high pressure high temperature sintering (HPHT) in toroid type apparatus with central hole 30. Sintering is conducted in temperature range of 1600–2450°C under pressure of 7.7 GPa. Sintering in the temperature range of 1600–1850°C induces the beginning of the interaction between components of the mixture and significant change in the elastic properties of the samples in both systems. As found, the maximum values of microhardness are achieved at 2150°C—40 GPa for a system with a carbide binder and 30 GPa in a system with vanadium nitride. The highest level of tool wear resistance during high-speed machining of steels is shown the samples of both groups sintered in the temperature range of 2000–2150°С. (Less)

The processes of formation of ceramicmatrix materials in the cBN(Al)-SiB4 WC system under high pressure conditions (7.7 GPa) in the temperature range of 1600-2300 °C are studied. It is shown that, for the composition chosen by us (BL group), 60 % vol. cBN, 5 % vol. Al, 25 % vol. SiB4 and 10 % vol. WC, nonporous superhard materials are virtually formed in the entire temperature range with hardness of no less than 33 GPa and Young’s modulus of 613 GPa, which is attributable to the formation of a highstrength ceramic matrix both as a result of the liquidphase sintering using aluminium and of an active chemical interaction of silicon tetraboride with WC. It is demonstrated by experiments that the micropowder consolidation process should be carried out at temperatures of no less than 1800 °C. The heating of the system above 2200 °C leads to the excessive cBN graphitization and accumulative recrystallization in general. According to the XRD analysis, it was established that, as a result of the thermal decomposition of silicon tetraboride and further chemical reaction with WC, new compounds are formed: W2B5 and WSi2, and the original aluminum is oxidized to α-Al2O3, thereby relieving the system of excess oxygen. All new compounds formed in the course of producing the ceramics are represented by microcrystalline forms, not exceeding 1—3 μm in size, that are arranged in the intergranular space of the core matrix, which contributes to an additional increase in hardness and fracture resistance. The obtained superhard ceramic plates can be used for turning tempered (up to 60 HRC) and highalloyed (including inconel) steel at rising temperatures in the cutting area.

Надтверді композиційні матеріали на основі алмазу широко застосовуються в сучасному виробництві, оскільки дають можливість підвищувати працездатність та ефективність промислових ліній, а в деяких сферах, як наприклад каменеобробка, нафто-та газовидобувна галузь, вони є незамінними [1][2][3].І це все завдяки унікальним властивостям алмазу, який поєднує високу твердість