Визначення впливу ультрадисперсних домішок нітриду алюмінію на структуру і фізико-механічні властивості інструментальної кераміки

Автор(и)

  • Едвін Спартакович Геворкян Український державний університет залізничного транспорту, Україна https://orcid.org/0000-0003-0521-3577
  • Володимир Павлович Нерубацький Український державний університет залізничного транспорту, Україна https://orcid.org/0000-0002-4309-601X
  • Володимир Олексійович Чишкала Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, Україна https://orcid.org/0000-0002-8634-4212
  • Юрій Григорійович Гуцаленко Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0003-4701-6504
  • Оксана Миколаївна Морозова Український державний університет залізничного транспорту, Україна https://orcid.org/0000-0001-7397-2861

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.245938

Ключові слова:

гаряче пресування, інструментальний матеріал, нітрид алюмінію, оксид хрому, ультрадисперсний порошок

Анотація

Розглянуто особливості отримання інструментального матеріалу на основі оксиду хрому. При цьому було використано ультрадисперсні порошки з нітриду алюмінію. Встановлено, що деструкція оксиду хрому при високих температурах спікання запобігається за рахунок реакційного спікання оксиду хрому (Cr2O3) та нітриду алюмінію (AlN).

Встановлено, що структура композиту залежить як від температури, так і від часу гарячого пресування. Термодинамічні розрахунки взаємодії Cr2O3 з AlN показали, що взаємодія меж ними починається за температури 1300 °С. На відміну від гарячого пресування на повітрі, у вакуумі сполуки СrN та Сr2N не утворюються. З підвищенням температури вміст Al2O3 в твердому розчині стає максимальним за температури 1700 °С у разі гарячого пресування на повітрі, у вакуумі вміст Al2O3 залишається незмінним у всьому температурному діапазоні 1300–1700 °С. При збільшенні часу гарячого пресування до 30 хв, розмір окремих зерен досягає 10 мкм. Показано, що в процесі спікання меж Cr2O3 та AlN шляхом плазмохімічного синтезу на межах фаз утворюється твердий розчин (Cr, Al)2O3, який підвищує механічні властивості матеріалу.

Досліджено вплив на якість обробленої поверхні загартованої твердої сталі при обробці розробленим інструментальним матеріалом на основі оксиду хрому з оптимальною домішкою 15 мас. % ультрадисперсного порошку нітриду алюмінію. Визначено, що якість обробленої поверхні твердої сталі покращується порівняно зі стандартними імпортними інструментальними пластинами.

Встановлено, що отриманий інструментальний матеріал, крім відносно високої міцності і тріщиностійкості, має також високу теплопровідність, що сприятливо впливає на якість обробленої поверхні сталі, враховуючи що у процесі різання не використовуються мастильно-охолоджувальні рідини

Спонсор дослідження

  • Статтю підготовлено в рамкам проведення дослідження за держбюджетною темою «Використання нетрадиційних методів отримання нанопорошків і спікання при розробці модифікованої муліто–ZrO2 кераміки стійкої до термоудару» (ДРН 0121U109441) за фінансової підтримки Міністерства освіти і науки України.

Біографії авторів

Едвін Спартакович Геворкян, Український державний університет залізничного транспорту

Доктор технічних наук, професор

Кафедра інженерії вагонів та якості продукції

Володимир Павлович Нерубацький, Український державний університет залізничного транспорту

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра електроенергетики, електротехніки та електромеханіки

Володимир Олексійович Чишкала, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра матеріалів реакторобудування та фізичних технологій

Юрій Григорійович Гуцаленко, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Старший науковий співробітник, старший викладач

Кафедра інтегрованих технологій машинобудування імені М. Ф. Семка

Оксана Миколаївна Морозова, Український державний університет залізничного транспорту

Аспірант

Кафедра інженерії вагонів та якості продукції

Посилання

  1. Vovk, R. V., Hevorkian, E. S., Nerubatskyi, V. P., Prokopiv, M. M., Chyshkala, V. O., Melnyk, O. M. (2018). Novi keramichni kompozytsiyni materialy instrumentalnoho pryznachennia. Kharkiv: KhNU imeni V. N. Karazina, 200. Available at: http://lib.kart.edu.ua/handle/123456789/5086
  2. Rizzo, A., Goel, S., Luisa Grilli, M., Iglesias, R., Jaworska, L., Lapkovskis, V. et. al. (2020). The Critical Raw Materials in Cutting Tools for Machining Applications: A Review. Materials, 13 (6), 1377. doi: https://doi.org/10.3390/ma13061377
  3. Gevorkyan, E. S., Rucki, M., Kagramanyan, A. A., Nerubatskiy, V. P. (2019). Composite material for instrumental applications based on micro powder Al2O3 with additives nano-powder SiC. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 82, 336–339. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2019.05.010
  4. Jung, C.-H., Lee, S.-J. (2005). Machining of hot pressed alumina–boron carbide composite cutting tool. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 23 (3), 171–173. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2005.02.001
  5. Gevorkyan, E., Mamalis, A., Vovk, R., Semiatkowski, Z., Morozow, D., Nerubatskyi, V., Morozova, O. (2021). Special features of manufacturing cutting inserts from nanocomposite material Al2O3-SiC. Journal of Instrumentation, 16 (10), P10015. doi: https://doi.org/10.1088/1748-0221/16/10/p10015
  6. Suzuki, K. (1984). The current state of ceramic tools and trends in its development in the future. Seramikusu, 19 (17), 542–556.
  7. Raychenko, A. I. (1987). Vliyanie skorosti nagreva na poroobrazovanie v ul'tradisperstnyh poroshkah. Metallurgiya, 5, 14–18.
  8. Peres, V., Favergeon, L., Andrieu, M., Palussière, J. C., Balland, J., Delafoy, C., Pijolat, M. (2012). High temperature chromium volatilization from Cr2O3 powder and Cr2O3-doped UO2 pellets in reducing atmospheres. Journal of Nuclear Materials, 423 (1-3), 93–101. doi: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.01.001
  9. Hevorkian, E. S., Nerubatskyi, V. P. (2009). Do pytannia otrymannia tonkodyspersnykh struktur z nanoporoshkiv oksydu aliuminiu. Zbirnyk naukovykh prats Ukrainskoi derzhavnoi akademiyi zaliznychnoho transportu, 111, 151–167. Available at: http://lib.kart.edu.ua/handle/123456789/4418
  10. Zaloha, V. O., Honcharov, V. D., Zaloha, O. O. (2013). Suchasni instrumentalni materialy u mashynobuduvanni. Sumy: Sumskyi derzhavnyi universytet, 371. Available at: http://library.ztu.edu.ua/e-copies/books/zaloga28.pdf
  11. Tkachenko, Y. G., Yurchenko, D. Z., Koval’chenko, M. S. (2008). High-temperature friction of refractory compounds. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 47 (1-2), 129–136. doi: https://doi.org/10.1007/s11106-008-0018-z
  12. Gevorkyan, E., Nerubatskyi, V., Gutsalenko, Y., Melnik, O., Voloshyna, L. (2020). Examination of patterns in obtaining porous structures from submicron aluminum oxide powder and its mixtures. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (6 (108)), 41–49. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.216733
  13. Grubiy, S. V. (2008). Metody optimizacii rezhimnyh parametrov lezviynoy obrabotki. Moscow: MGTU im. N. E. Baumana, 94.
  14. Zhed', V. P., Borovskiy, G. V., Muzykant, Ya. A., Ippolitov, I. M. (1987). Rezhuschie instrumenty, osnaschennye sverhtverdymi i keramicheskimi materialami i ih primenenie. Moscow: Mashinostroenie, 320.
  15. Gevorkyan, E., Rucki, M., Sałaciński, T., Siemiątkowski, Z., Nerubatskyi, V., Kucharczyk, W. et. al. (2021). Feasibility of Cobalt-Free Nanostructured WC Cutting Inserts for Machining of a TiC/Fe Composite. Materials, 14 (12), 3432. doi: https://doi.org/10.3390/ma14123432
  16. Norfauzi, T., Hadzley, A., Azlan, U., Afuza, A., Faiz, M., Naim, M. (2019). Fabrication and machining performance of ceramic cutting tool based on the Al2O3-ZrO2-Cr2O3 compositions. Journal of Materials Research and Technology, 8 (6), 5114–5123. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.08.034
  17. Azhar, A. Z. A., Hadzley, M., Tamin, N., Azlan, U. A. A., Hassan, M. H. (2020). Friction and wear analysis of ceramic cutting tool made from Alumina-Zirconia-Chromia. Jurnal Tribologi, 24, 27–38. Available at: https://www.researchgate.net/publication/344469179_Friction_and_wear_analysis_of_ceramic_cutting_tool_made_from_Alumina-Zirconia-Chromia
  18. Mudzaffar, R. N., Bahauddin, M. F. I., Manshor, H., Azhar, A. Z. A., Rejab, N. A., Ali, A. M. (2021). Wear performance of the zirconia toughened alumina added with TiO2 and Cr2O3 ceramic cutting tool. Research Square. doi: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-956224/v1
  19. Gevorkyan, E., Nerubatskyi, V., Chyshkala, V., Morozova, O. (2021). Revealing specific features of structure formation in composites based on nanopowders of synthesized zirconium dioxide. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (113)), 6–19. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.242503
  20. Adel, S., Cherifa, B., Elhak, D. D., Mounira, B. (2018). Effect of Cr 2 O 3 and Fe 2 O 3 doping on the thermal activation of un-polarized PZT charge carriers. Boletín de La Sociedad Española de Cerámica y Vidrio, 57 (3), 124–131. doi: https://doi.org/10.1016/j.bsecv.2017.11.001
  21. Gayo, G. X., Lavat, A. E. (2018). Green ceramic pigment based on chromium recovered from a plating waste. Ceramics International, 44 (18), 22181–22188. doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.08.336
  22. Grigoriev, S. N., Fedorov, S. V., Hamdy, K. (2019). Materials, properties, manufacturing methods and cutting performance of innovative ceramic cutting tools − a review. Manufacturing Review, 6, 19. doi: https://doi.org/10.1051/mfreview/2019016
  23. Cui, S., Liu, Y., Wang, T., Tieu, K., Wang, L., Zeng, D. et. al. (2021). Tribological behavior comparisons of high chromium stainless and mild steels against high-speed steel and ceramics at high temperatures. Friction. doi: https://doi.org/10.1007/s40544-021-0509-1
  24. Gevorkyan, E. S., Nerubatskyi, V. P., Chyshkala, V. O., Morozova, O. M. (2020). Aluminum oxide nanopowders sintering at hot pressing using direct current. Modern scientific researches, 14 (1), 12–18. Available at: http://repo.knmu.edu.ua/bitstream/123456789/28055/1/An%20article..pdf
  25. Chyshkala, V. O., Lytovchenko, S. V., Gevorkyan, E. S., Nerubatskyi, V. P., Morozova, O. M. (2021). Structural phase processes in multicomponent metal ceramic oxide materials based on the system Y–Ti–Zr–O (Y2O3–TiO2–ZrO2). SWorldJournal, 7 (1), 17–31. Available at: http://repo.knmu.edu.ua/bitstream/123456789/29367/1/SworlLjournal03.21%20%281%29.pdf
  26. Higashino, Y., Yamauchi, M., Goto, T., Nagasawa, T. (2003). Evaluation of Brittleness of Porcelain Fused to Pure Titanium by Fracture Toughness, Hardness and Fracture Energy. Dental Materials Journal, 22 (4), 532–542. doi: https://doi.org/10.4012/dmj.22.532
  27. Quinn, G. D. (2006). Fracture Toughness of Ceramics by the Vickers Indentation Crack Length Method: A Critical Review. Ceramic Engineering and Science Proceedings, 45–62. doi: https://doi.org/10.1002/9780470291313.ch5
  28. Rudenko, V. M. (2012). Matematychna statystyka. Kyiv: Tsentr uchbovoi literatury, 304. Available at: https://shron1.chtyvo.org.ua/Rudenko_Volodymyr/Matematychna_statystyka.pdf
  29. Ishchenko, O. V., Mykhalchuk, V. M., Bila, N. I., Haidai, S. V., Bilyi, O. V. (2012). Statystychni metody u khimiyi. Donetsk: Vydavnytstvo DonNU, 504. Available at: https://physchem.knu.ua/materials/Gl_1-3.pdf
  30. Storchak, M., Zakiev, I., Träris, L. (2018). Mechanical properties of subsurface layers in the machining of the titanium alloy Ti10V2Fe3Al. Journal of Mechanical Science and Technology, 32 (1), 315–322. doi: https://doi.org/10.1007/s12206-017-1231-9
  31. Vasylyev, M. A., Mordyuk, B. N., Sidorenko, S. I., Voloshko, S. M., Burmak, A. P., Kruhlov, I. O., Zakiev, V. I. (2019). Characterization of ZrN coating low-temperature deposited on the preliminary Ar+ ions treated 2024 Al-alloy. Surface and Coatings Technology, 361, 413–424. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.12.010
  32. Mechnik, V. A., Bondarenko, N. A., Kolodnitskyi, V. M., Zakiev, V. I., Zakiev, I. M., Storchak, M. et. al. (2019). Physico-mechanical and Tribological Properties of Fe-Cu-Ni-Sn and Fe-Cu-Ni-Sn-VN Nanocomposites Obtained by Powder Metallurgy Methods. Tribology in Industry, 41 (2), 188–198. doi: https://doi.org/10.24874/ti.2019.41.02.05
  33. Kirichek, T. Yu., Korotenko, Ye. V. (2016). Usage of contact and noncontact profilometrical methods for investigation of intaglio printing surfaces. Trudy BGTU, 9, 16–21. Available at: https://elib.belstu.by/bitstream/123456789/20371/1/3Kirichek.pdf
  34. Leonenko, P. V., Zakiev, I. M., Gogotsi, G. A. (2013). Evaluation of surface quality of dental implants using non-contact 3D interferometric profilometer. NMAPO imeni P. L. Shupyka, 22 (4), 99–109. Available at: http://ir.nmapo.edu.ua:8080/jspui/bitstream/lib/911/1/Evaluation%20of%20surface%20quality%20of%20dental%20implants.pdf
  35. Wu, C.-M., Cheng, Y.-C., Lai, W.-Y., Chen, P.-H., Way, T.-D. (2020). Friction and Wear Performance of Staple Carbon Fabric-Reinforced Composites: Effects of Surface Topography. Polymers, 12 (1), 141. doi: https://doi.org/10.3390/polym12010141
  36. Chyshkala, V. O., Lytovchenko, S. V., Gevorkyan, E. S., Nerubatskyi, V. P., Morozova, O. M. (2021). Mastering the processes of synthesis of oxide compounds with the use of a powerful source of fast heating of the initial ingredients. Collected Scientific Works of Ukrainian State University of Railway Transport, 196, 118–128. doi: https://doi.org/10.18664/1994-7852.196.2021.242226
  37. Yust, C. S., Leitnaker, J. M., Devore, C. E. (1988). Wear of an alumina-silicon carbide whisker composite. Wear, 122 (2), 151–164. doi: https://doi.org/10.1016/0043-1648(88)90075-0
  38. Gevorkyan, E., Rucki, M., Krzysiak, Z., Chishkala, V., Zurowski, W., Kucharczyk, W. et. al. (2021). Analysis of the Electroconsolidation Process of Fine-Dispersed Structures Out of Hot Pressed Al2O3–WC Nanopowders. Materials, 14 (21), 6503. doi: https://doi.org/10.3390/ma14216503
  39. Azhar, A. Z. A., Choong, L. C., Mohamed, H., Ratnam, M. M., Ahmad, Z. A. (2012). Effects of Cr2O3 addition on the mechanical properties, microstructure and wear performance of zirconia-toughened-alumina (ZTA) cutting inserts. Journal of Alloys and Compounds, 513, 91–96. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.09.092
  40. Hirata, T., Akiyama, K., Yamamoto, H. (2000). Sintering behavior of Cr2O3–Al2O3 ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 20 (2), 195–199. doi: https://doi.org/10.1016/s0955-2219(99)00161-2
  41. Bugrov, A. N., Al'myasheva, O. V. (2011). Formirovanie nanochastic Cr2O3 v gidrotermal'nyh usloviyah. Nanosistemy: fizika, himiya, matematika, 2 (4), 126–132. Available at: https://www.researchgate.net/publication/286779209_Formirovanie_nanocastic_Cr2O3_v_gidrotermalnyh_usloviah
  42. Ryabchikov, I. V., Mizin, V. G., Yarovoi, K. I. (2013). Reduction of iron and chromium from oxides by carbon. Steel in Translation, 43 (6), 379–382. doi: https://doi.org/10.3103/s096709121306017x
  43. Kamkina, L. V., Nadtochiy, A. A., Ankudinov, R. V., Hryshyn, A. M. (2015). Osnovy dysotsiatsiyi ta horinnia spoluk. Dnipropetrovsk: NMetAU, 70. Available at: https://nmetau.edu.ua/file/osnovi_dissots_i_gorinnya_spoluk.2015.pdf
  44. Latu-Romain, L., Mathieu, S., Vilasi, M., Renou, G., Coindeau, S., Galerie, A., Wouters, Y. (2016). The Role of Oxygen Partial Pressure on the Nature of the Oxide Scale on a NiCr Model Alloy. Oxidation of Metals, 88 (3-4), 481–493. doi: https://doi.org/10.1007/s11085-016-9670-8
  45. Gevorkyan, E. S., Nerubatskyi, V. P., Chyshkala, V. O., Morozova, O. M. (2021). Cutting composite material based on nanopowders of aluminum oxide and tungsten monocarbide. Modern engineering and innovative technologies, 15 (2), 6–14. Available at: https://www.moderntechno.de/index.php/meit/issue/view/meit15-02/meit15-02
  46. Serbenyuk, T. B., Aleksandrova, L. I., Zaika, M. I., Ivzhenko, V. V., Kuz’menko, E. F., Loshak, M. G. et. al. (2008). Structure, mechanical and functional properties of aluminum nitride-silicon carbide ceramic material. Journal of Superhard Materials, 30 (6), 384–391. doi: https://doi.org/10.3103/s106345760806004x
  47. Chasnyk, V., Chasnyk, D., Fesenko, I., Kaidash, O., Turkevych, V. (2021). Dielectric characteristics of pressureless sintered AlN-based composites in the 3–37 GHz frequency range. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 32 (2), 2524–2534. doi: https://doi.org/10.1007/s10854-020-05019-6
  48. Strelov, K. K. (1985). Teoreticheskie osnovy tehnologii ogneupornyh materialov. Moscow: Metallurgiya, 480.
  49. Ouensanga, A. (1987). High Temperature Thermodynamic Study of the Reduction of Cr2O3 by Graphite. International Journal of Materials Research, 78 (1), 70–72. doi: https://doi.org/10.1515/ijmr-1987-780110
  50. Hevorkian, E. S., Nerubatskyi, V. P. (2009). Modeliuvannia protsesu hariachoho presuvannia AL2O3 pry priamomu propuskanni zminnoho elektrychnoho strumu z chastotoiu 50 Hts. Zbirnyk naukovykh prats Ukrainskoi derzhavnoi akademiyi zaliznychnoho transportu, 110, 45–52. Available at: http://lib.kart.edu.ua/handle/123456789/4416
  51. Gevorkyan, E. S., Nerubackiy, V. P., Mel'nik, O. M. (2010). Goryachee pressovanie nanoporoshkov sostava ZrO2–5 %Y2O3. Zbirnyk naukovykh prats Ukrainskoi derzhavnoi akademiyi zaliznychnoho transportu, 119, 106–110.

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-12-22

Як цитувати

Геворкян, Е. С., Нерубацький, В. П., Чишкала, В. О., Гуцаленко, Ю. Г., & Морозова, О. М. (2021). Визначення впливу ультрадисперсних домішок нітриду алюмінію на структуру і фізико-механічні властивості інструментальної кераміки. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(12 (114), 40–52. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.245938

Номер

Том 6 № 12 (114) (2021): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Edwin Gevorkyan, Volodymyr Nerubatskyi, Volodymyr Chyshkala, Yuriy Gutsalenko, Oksana Morozova

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.