С учетом того, что в процессе обработки, а также последующей эксплуатации в качестве инструмента СТМ подвергаются воздействию высоких температур и давлений, особые требования предъявляются к стабильности их структуры и механических свойств. В связи с этим является актуальным исследование влияния теплосилового воздействия на структурно-фазовое состояние сверхтвердых материалов на основе алмаза и нитрида бора. Как показал обзор литературных данных, большая часть работ посвящена анализу роли температурной обработки в изменении структуры и свойств СТМ, что, с одной стороны, обусловлено высокой тепло напряженностью процессов изготовления и применения инструментов, а с другой — особой ролью теплового фактора в разрушении СТМ. Воздействие температуры является достаточно сложным и зависит от конкретного типа материала, его структуры, фазового состава и количества примесей. Среди общих процессов, происходящих как в СТМ на основе алмаза, так и нитрида бора, следует отметить полиморфные превращения (графитизацию), окислительные реакции, структурные переходы во включениях, субструктурные изменения, а также создание сложного напряженного состояния.
Как правило, указанные виды структурных изменений приводят к резкому разупрочнению СТМ с повышением температуры [166, 241]. По данным [105, 177] нагрев синтетических алмазов до Т = 1273^1473°К снижает их прочность в 2-5 раз. Исследования влияния термообработки на структуру и механические свойства поликристаллов на основе нитрида бора проводились достаточно подробно авторами [129, 136]. Установлено изменение фазового состава, структурного состояния, а также снижение механических свойств гетерофазных поликристаллов на основе нитрида бора (гексанита-Р) после различных видов термического воздействия. Основным видом структурных превращений, приводящим к существенному изменению прочностных свойств СТМ при воздействии температуры, является графитизация, то есть полиморфный переход сверхтвердых тетраэдрических фаз в деформативные слоистые структуры (образование графитоподобной модификации BN и графита), существенно отличающиеся по своим свойствам от плотных фаз нитрида бора и алмаза. Интенсивная графитизация резко разупрочняет материал. Так, присутствие BN в спеках гексанита-Р в количестве, превышающем 2 %, приводит к существенному падению вязкости разрушения и облегчению процессов образования и закритического роста трещин [97, 110]. Температура начала графитизации в СТМ зависит от их фазового состава, структурного состояния фаз, их дисперсности, а также условий нагрева. Для материалов на основе нитрида бора температура графитизации составляет
1400-1600оК, для алмаза — 1700-1800оК. С увеличением температуры происходит непрерывный рост и скорости графитизации, поскольку при этом не только увеличивается атомная подвижность, но и растет, как следует из диаграмм состояния, разность термодинамических потенциалов старой и новой фаз [208]. Процессы графитизации становятся столь сильными, что могут привести к растрескиванию образцов из-за большого объемного эффекта превращения [181]. Существуют тем не менее ситуации, при которых графи — тизация (в незначительных масштабах) может оказать положительный эффект на прочностные параметры материала. Например, в работе [136] отмечается увеличение твердости гексанита-Р при отжиге (480-1280ОК) от 5966 ГПа в исходном состоянии до 83-88 ГПа (индентор Виккерса), что объясняется структурными изменениями материала, подавляющими низкотемпературное охрупчивание и связанное с ним снижение твердости и заключающимися в формировании выделений графита в количестве 0.2-0.5 %, пластичного по сравнению с фазами высокого давления. Графитизация идет на поверхности и дефектных участках материала со значительным увеличением удельного объема и, следовательно, с возникновением напряжений сжатия, затрудняющих процессы хрупкого разрушения. Следует также особо выделить роль включений в структурных превращениях в сверхтвердых поликристаллах на основе алмаза и нитрида бора при отжиге, поскольку их присутствие является скорее правилом, нежели исключением, а содержание может быть весьма существенным. Более того, даже незначительное количество примесей может вызвать весьма заметные изменения структуры и свойств, причем характер этих изменений определяется особенностями конкретного типа поликристалла.
Как правило, наличие включений приводит к понижению температуры фазовых переходов, графитизации, снижая температурную устойчивость СТМ и изменяя прочностные характеристики в нежелательную сторону. При определенных условиях возможна реализация противоположного действия примесей в СТМ.
Так, в киборите наряду с некоторым увеличением твердости в интервале 800-100ОК, объясняющимся выделением небольшого количества BNr на дефектных участках, аналогично гексаниту-Р проявляется еще один механизм упрочнения — взаимодействие легкоплавких примесей с поликристаллическим нитридом бора, в результате чего образуются тугоплавкие нитриды и бориды.
Если реакции идут с увеличением объема, то возникают напряжения сжатия, приводящие к упрочнению и росту твердости [27].
На роли включений в сверхтвердых поликристаллах на основе алмаза необходимо остановиться подробнее, поскольку именно включения оказывают решающее влияние на структурные изменения при термическом, механическом воздействии, приводящие к существенной потере прочности. Металлофаза при нагреве и абразивном воздействии вызывает снижение температуры начала обратного полиморфного превращения (графитизации), то есть — снижение термостойкости СПА, поскольку и Fe, и Ni, используемые при синтезе алмазов в качестве растворителей, являются также активными катализаторами перехода алмаза в графит, снижая температуру от 1700-1800 до 1000°К.
Л. С. Палатник, Л. И. Гладких с сотрудниками установили, что отрицательная роль включений в СТМ на основе алмаза этим не ограничивается. Не менее важная сторона их влияния заключается в том, что примеси являются источником термических напряжений, инициирующих разрушение до начала графитизации [142].
Как известно, в структуре СТМ присутствуют два вида включений [142]: ориентированные, закономерно сопряженные с решеткой алмаза и заключенные внутри отдельных его кристаллитов, и неориентированные, расположенные по границам между ними. Механизмы образования включений различны: ориентированные возникают в результате диффузионного распада пересыщенного твердого раствора металла в алмазе с эндотаксиальным выделением избыточного металла из решетки алмаза, неориентированные включения формируются путем кристаллизации жидкого расплава-раствора углерода в металле при снятии температуры после синтеза
При нагреве СТМ на основе алмаза уже до Т ~ 1070°К происходит окисление металлических включений, в первую очередь неориентированных, в результате чего разрыхляются границы между отдельными кристаллитами алмаза и формируются внутренние напряжения, связанные с различием удельных объемов.
Ориентированные включения инициируют удаление и разрушение алмазных зерен вследствие возникающих межфазных напряжений. Именно ориентированные включения облегчают и процесс графитизации алмаза, поскольку внутреннее разрушение алмазных кристаллитов сопровождается образованием новых поверхностей раздела, где и начинается графитизация.
Таким образом, превращения во включениях в СТМ на основе алмаза способствуют потере прочности и разрушению при сравнительно невысоких температурах до начала полиморфных обратных превращений. При повышении температуры отжига (до Т ~ 1270°К) возможны процессы миграции металлофазы по направлению к межблочным границам или границам кристаллитов, а также выделение включений (Т = 1470°К) на внешнюю поверхность кристалла в виде капель размером 50-500 мкм [116]. Наряду с полиморфными превращениями и изменением фазово-структурного состояния примесей термическое воздействие может вызвать в СТМ окислительные процессы, параметры которых (температура начала окисления, скорость, время или температура полного окисления), аналогично графитизации, определяются индивидуальными особенностями материала, а также условиями проведения эксперимента. В связи с этим в литературе указываются, как правило, широкие интервалы температур окисления СТМ, либо называется конкретный материал. Уровень температуры, при котором становится заметным окисление алмазов на воздухе, составляет 800-1000°К [178]. Устойчивость алмазов к окислению, как указывалось выше, резко снижается примесями. Диапазон температур начала окисления для различных поликристаллов на основе нитрида бора еще более широк — 900-1600°К [94, 203], скорость окисления становится существенной при Т = 1100^1200°К. В результате указанных процессов наблюдается снижение твердости, прежде всего, на поверхности. Так, в работе [68] исследовалось распределение толщины слоя пониженной твердости от температуры отжига, изменяющейся от 5-10 мкм при 1200°К до 50-60 мкм при 1400°К и разупрочнения материала по всему объему. При общей тенденции снижения механических свойств за счет окислительных процессов авторами отдельных публикаций отмечается и возможность положительной роли мало интенсивного окисления в поликристаллах на основе нитрида бора при определенных условиях [145]. В качестве примера приводятся результаты термообработки композита 05-ИТ и эль — бора-Р при Т < 1073 °К, повышающей их прочность, что обусловлено окислением КНБ о образованием В2О3, пленка которой покрывает зерна, залечивая микродефекты и оказывая цементирующее действие. Содержание В2О3, возникающее в результате окисления, невелико (приблизительно 1-2 %), но с учетом коэффициента увеличения объема при образовании В2О3 равного 2.65, количества оксида бора достаточно для существенного упрочнения поверхности зерен.
Помимо описанных структурных превращений одним из следствий термообработки СТМ является изменение макро — и микронапряженного состояния в поликристаллических спеках, представляющих собой многофазный материал, из-за различия модуля Юнга, модулей объемного сжатия, коэффициентов термического расширения, анизотропии упругих свойств решеток, разницы в удельных объемах фаз, текстуры и других факторов [122, 145, 187]. Учет напряжений, обусловленных тепловым воздействием, достаточно сложен [16], поскольку уже в исходном состоянии, то есть после синтеза, структуры СТМ напряжены (табл. 1.1).
|
Таблица 1.1 — Макро — и микронапряжения в СТМ после синтеза [168, 176]
|
Величина микродеформации при отжиге определяется, с одной стороны, эффективностью процессов релаксации (микрорастрескивания), а с другой — увеличением микронапряжений в результате фазовых изменений. Поскольку релаксационные процессы облегчены в приповерхностных слоях и затруднены в объеме, возможно создание неоднородного распределения межфазных напряжений по глубине.
Роль макро — и микронапряжений чрезвычайно велика, поскольку при наложении внешних нагрузок (тепловых, силовых), особенно носящих циклический характер, внутренние напряжения, приводя к микрорастрескиванию, отвечают за изменение механических свойств.
Так, в двухфазных образцах на основе нитрида бора обнаружены существенные макро — и микронапряжения (до 2 ГПа), обусловленные макроскопически неоднородным распределением фаз по объему и неоднородными упругими деформациями кристаллитов. Их термообработка термоциклиро — ванием приводит к релаксации макронапряжений в объеме и микронапряжений в поверхностных слоях из-за образования графитоподобного нитрида бора с большим объемом, чем исходные фазы [163].
Этим изменениям напряженного состояния соответствует изменение микротвердости (снижение — при больших нагрузках и резкое увеличение — при низких).
Анализ литературы показал, что тепловое воздействие обуславливает существенные изменения структурно-фазового состояния и прочностных свойств СТМ на основе алмаза и нитрида бора, что, несомненно, помогает раскрыть суть процессов обработки и эксплуатации сверхтвердых поликристаллов, сопровождающихся высокоинтенсивными тепловыми явлениями. Однако необходимо учитывать, что в данных вопросах весьма важен и другой фактор — силовой. Совместное же действие тепла и силового нагружения, а также циклический характер их приложения могут инициировать специфические структурно-прочностные изменения в сверхтвердых поликристаллах. Внутренние напряжения, приводя к микрорастрескиванию, отвечают за изменение механических свойств. Цикличность же термодинамического воздействия (скорость нагрева, например, при шлифовании может достигать нескольких тысяч градусов в секунду [32]) ведет к возникновению усталостных явлений и созданию сложного напряженного состояния в многофазных поликристаллах СТМ [124].
Несмотря на актуальность и важность вопросов, касающихся структурно-фазовых превращений, напряжений, а также прочностных изменений в СТМ в процессе их обработки и эксплуатации в качестве лезвийного инструмента, работы, посвященные этим проблемам, носят единичный характер [14, 60, 111, 131, 189].
Наряду со структурными изменениями, происходящими в сверхтвердых материалах в процессе теплосилового нагружения, не менее важен также учет и cубструктурных превращений, что обусловлено их связью с процессами упрочнения и определяющей ролью в эксплуатационных свойствах.