Випуски $\rightarrow$ Том 25, випуск 4 (2024)

Щодо утворення твердих розчинів за термобаричного спікання PcBN-композитів систем cBN–MeN–Al і cBN–MeC–Al

БІЛЯВИНА Н.М.$^{1}$, ТУРКЕВИЧ В.З.$^{2}$, СТРАТІЙЧУК Д.А.$^{2}$, КУРИЛЮК А.М.$^{1}$, НАКОНЕЧНА О.І.$^{1}$

$^1$Київський національний університет імені Тараса Шевченка, вул. Володимирська, 64/13, 01601 Київ, Україна
$^2$Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, вул. Автозаводська, 2, 04074 Київ, Україна

Отримано 01.07.2024, остаточна версія 08.11.2024 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Методом рентґенівської дифракції докладно вивчається серія полікристалічних кубічних композитів нітриду Бору (PcBN) систем cBN–{TiN, ZrN, HfN, VN, NbN}–Al і cBN–{TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC}–Al (зі складом шихти — 60:35:5 об.%), спечених за високих тисків і температур (HPHT): 7,7 ГПа і 1600–2450 °C. Показано, що кристалічна структура кожного нітриду MeN і карбіду MeC (Me = Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta), що є у цих композитах, належить до модифікованої структури типу NaCl з додатковою позицією для атомів Нітроґену, що приводить до акумуляції надлишку атомів N у приповерхневих шарах композитів. За певних температурних режимів HPHT-спікання, Алюміній шихти занурюється до складу кристалічних структур карбідів MeC, утворюючи тверді розчини заміщення на основі відповідного металу Me. Визначено температурні області існування та склад твердих розчинів MeN1+δ, MeCNδ, Me1−xAlxCNδ, які є у досліджених продуктах HPHT-спікання. Показано, що встановлені особливості кристалічних структур цих твердих розчинів цілком відповідають наявним теоретичним уявленням про процеси, що описують характер твердофазного взаємочину компонентів шихти за її спікання. Так, накопичення Нітроґену у MeN і MeC описується в рамках моделю атомістичного дифузійного процесу. З використанням даних про надлишок N у нітридах у якості опорних значень визначено основні параметри процесу дифузії (енергію активації та константу швидкости) Нітроґену у композитах cBN–{TiN, HfN, VN, NbN}–Al. Утворення за певних режимів HPHT-спікання твердих розчинів Алюмінію пояснюється механізмом взаємодії рідкого алюмінію з карбідами MeC, якому передує активне утворення вакансій у металевій підґратниці цих карбідів. Методологічно вперше здійснено використання даних рентґеноструктурної аналізи для визначення основних параметрів процесу міґрації атомів N в процесі HPHT-спікання композиту з його середини на поверхню.

Ключові слова: кубічний нітрид Бору (cBN), композит, мононітрид, монокарбід, рентґенівська дифракція, дифузія.

DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.25.04.661

Citation: N.M. Belyavina, V.Z. Turkevich, D.A. Stratiichuk, A.M. Kuryliuk, and O.I. Nakonechna, On the Formation of Solid Solutions at Thermobaric Sintering of PcBN Composites of cBN–MeN–Al and cBN–MeC–Al Systems, 25, No. 4: 661–707 (2024)

Цитована література   
  1. G. Will, G. Nover, and J. von der Gönna, J. Solid State Chem., 154: 280285 (2000); https://doi.org/10.1006/jssc.2000.8850
  2. F.R. Corrigan and F.P. Bundy, J. Chem Phys., 63, No. 9: 3812 (1975); https://doi.org/10.1063/1.431874
  3. F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Turning, Milling, Drilling (2011).
  4. O.O. Kurakevych and V.L. Solozhenko, Molecules, 21, No. 10: 1399 (2016); https://doi.org/10.3390/molecules21101399
  5. V.L. Solozhenko, I.A. Petrusha, and A.A. Svirid, High Press. Res., 15: 95 (1996); https://doi.org/10.1080/08957959608240463
  6. S.N. Dub and I.A. Petrusha, High Press. Res., 26, No. 2: 71 (2006); https://doi.org/10.1080/08957950600764239
  7. N.P. Bezhenar, S.M. Konoval, S.A. Bozhko, N.N. Beljavina, and V.Ya. Markiv, High Press. Phys. Eng., 19, No. 2: 41 (2009); http://jnas.nbuv.gov.ua/article/UJRN-0000118328
  8. M.P. Bezhenar, M.H. Loshak, O.O. Shulzhenko, S.M. Konoval, L.I. Aleksandrova, S.A. Bozhko, and N.M. Biliavyna, Porodorazrushayushchiy i Metalloobrabatyvayushchiy Instrument — Tekhnika i Tekhnologiya ego Izgotovleniya i Primeneniya, No. 11: 164 (2008) (in Russian).
  9. M.P. Bezhenar, S.M. Konoval, S.A. Bozhko, M.G. Loshak, L.I. Aleksandrova, M.I. Zaika, P.A. Nagornyi, and H.M. Bilyavina, J. Superhard Materials, 32: 1 (2010); https://doi.org/10.3103/S1063457610010016
  10. M.P. Bezhenar, Ya.M. Romanenko, S.M. Konoval, T.A. Harbuz, V.Y. Zelenyn, M.A. Poleshchuk, and Yu.A. Nykytiuk, Porodorazrushayushchiy i Metalloobrabatyvayushchiy Instrument — Tekhnika i Tekhnologiya ego Izgotovleniya i Primeneniya, No. 19: 184 (2016) (in Russian).
  11. S.A. Klymenko, M.Yu. Kopeikyna, and A.O. Chumak, Suchasni Tekhnologii v Mashynobuduvanni, No. 12: 54 (2017) (in Ukrainian).
  12. S.A. Klymenko, Yu.O. Melniichuk, Yu.O. Mukovoz, M.Yu. Kopieikina, I.A. Petrusha, and O.S. Osypov, Deklaratsiinyi Patent Ukrainy No. 70820 A, Sposib Mekhanichnoi Obrobky. Bulletin ‘Promyslova Vlasnist’, 10: 54 (2004) (in Ukrainian).
  13. A. McKie, J. Winzer, I. Sigalas, M. Herrmann, L. Weiler, J. Rudel, and N. Can, Ceram. Int., 37, No. 1: 1 (2011); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.07.034
  14. V. Bushlya, F. Lenrick, J.-E. Ståhl, and R. M’Saoubi, CIRP Ann., 67, No. 1: 79 (2018); https://doi.org/10.1016/j.cirp.2018.03.011
  15. R. M’Saoubi, M.P. Johansson, and J.M. Andersson, Wear, 302, Nos. 1–2: 1219 (2013); https://doi.org/10.1016/j.wear.2013.01.074
  16. V. Bushlya, J. Zhou, P. Avdovic, and J.-E. Ståhl, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 66, Nos. 9–12: 1083 (2013); https://doi.org/10.1007/s00170-013-4899-8
  17. K. Sobiyi, I. Sigalas, G. Akdogan, and Y. Turan, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 77, Nos. 5–8: 861 (2015); https://doi.org/10.1007/s00170-014-6506-z
  18. V.M. Bushlya, O.A. Gutnichenko, J.M. Zhou, J.-E. Ståhl, and S. Gunnarsson, J. Superhard Mater., 36, No. 1: 49 (2014); https://doi.org/10.3103/S1063457614010080
  19. V. Bushlya, O. Gutnichenko, J. Zhou, P. Avdovic, and J.-E. Ståhl, Mach. Sci. Technol., 17, No. 4: 497 (2013); https://doi.org/10.1080/10910344.2013.806105
  20. J. Angseryd and H.O. Andren, Wear, 271, Nos. 9–10: 2610 (2011); https://doi.org/10.1016/j.wear.2010.11.059
  21. P. Klimczyk, E. Benko, K. Lawniczak-Jablonska, E. Piskorska, M. Heinonen, A. Ormaniec, W. Gorczynska-Zawislan, and V.S. Urbanovich, J. Alloys Compd., 382, Nos. 1–2: 195 (2004); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.04.140
  22. J. Angseryd, E. Coronel, M. Elfwing, E. Olsson, and H.O. Andren, Wear, 267, Nos. 5–8: 1031 (2009); https://doi.org/10.1016/j.wear.2008.12.075
  23. L. Zhang, F. Lin, Z. Lv, C. Xu, X. He, W. Wang, and L. Xia, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 50: 221 (2015); https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2015.01.015
  24. K.V. Slipchenko, I.A. Petrusha, V.Z. Turkevich, V.M. Bushlya, and J.-E. Stahl, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 40, No. 8: 1081 (2018) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/mfint.40.08.1081
  25. K. Slipchenko, D. Stratiichuk, N. Belyavina, V. Turkevich, V. Bushlya, J.E. Stahl, 9th Swedish Production Symposium—SPS 2020, 13: 428 (2020); https://doi.org/10.3233/ATDE200180
  26. K. Slipchenko, V. Turkevich, I. Petrusha, V. Bushlya, and J.-E. Ståhl, Procedia Manuf., 25: 322 (2018); https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.06.090
  27. M.P. Bezhenar, G.S. Oleinik, S.A. Bozhko, T.O. Garbuz, and S.M. Konoval, J. Superhard Mater., 31, No. 6: 357 (2009); https://doi.org/10.3103/S106345760906001X
  28. K. Slipchenko, V. Bushlya, D. Stratiichuk, I. Petrusha, A. Can, V. Turkevich, and F. Lenrick, J. Eur. Ceram. Society, 42, No. 11: 4513 (2022); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.04.022
  29. X.Z. Rong, T. Tsurumi, O. Fukunaga, and T. Yano, Diam. Relat. Mater., 11, No. 2: 280 (2002); https://doi.org/10.1016/S0925-9635(01)00692-6
  30. E. Benko, J.S. Stanisław, B. Królicka, A. Wyczesany, and T.L. Barr, Diam. Relat. Mater., 8, No. 10: 1838 (1999); https://doi.org/10.1016/S0925-9635(99)00131-4
  31. H. Xie, F. Deng, H. Wang, J. Liu, S. Han, and F. Feng, J. Refract. Metals Hard Mater., 89: 105209 (2020); https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2020.105209
  32. S.Y. Chiou, S.F. Ou, Y.G. Jang, and K.L. Ou, Ceram. Int., 39, No. 6: 7205 (2013); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.02.066
  33. K. Slipchenko, V. Bushlya, D. Stratiichuk, V. Turkevich, and J.-E. Ståhl, Procedia CIRP, 101: 254 (2021); https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.10.005
  34. K.V. Slipchenko, V.Z. Turkevich, V.M. Bushlya, and J.-E. Ståhl, Rock. Destr. Met. Tools — Tech. Technol. Tool. Prod. Appl., No. 22: 254 (2019).
  35. K.V. Slipchenko, I.A. Petrusha, V.Z. Turkevich, V.M. Bushlya, and J.-E. Ståhl, Rock. Destr. Met. Tools — Tech. Technol. Tool. Prod. Appl., No. 21: 275 (2018).
  36. K.V. Slipchenko, I.A. Petrusha, D.A. Stratiichuk, and V.Z. Turkevych, J. Superhard Mater., 40: 226 (2018); https://doi.org/10.3103/S1063457618030115
  37. K.V. Slipchenko, V.Z. Turkevich, V.M. Bushlya, and J.-E. Ståhl (2019), Tooling Materials Science, No. 22: 254 (2019); http://jnas.nbuv.gov.ua/article/UJRN-0001089259
  38. K.V. Slipchenko, I.A. Petrusha, V.Z. Turkevich, D.A. Stratiichuk, V.M. Slipchenko, N.M. Bilyavina, D.V. Turkevich, V.M. Bushlya, and J.-E. Ståhl, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 41, No. 12: 1599 (2019) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/mfint.41.12.1599
  39. K.V. Slipchenko, D.A. Stratiichuk, V.Z. Turkevich, N.M. Bilyavyna, V.M. Bushlya, and J.-E. Ståhl, J. Superhard Mater., 42, No. 4: 229 (2020); https://doi.org/10.3103/S1063457620040103
  40. D.A. Stratiichuk, V.Z. Turkevich, K.V. Slipchenko, and V.M. Bushlya, Dopov. Nac. Akad. Nauk Ukr., No. 9: 38 (2020) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/dopovidi2020.09.038
  41. D.A. Stratiichuk, V.Z. Turkevich, K.V. Slipchenko, Yu.O. Melniichuk, and D.V. Turkevich, Tooling Materials Science, No. 23: 194 (2020).
  42. D.A. Stratiichuk, V.Z. Turkevich, K.V. Slipchenko, V.M. Bushlya, and N.M. Bilyavyna, Dopov. Nac. Akad. Nauk Ukr., No. 2: 37 (2020) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/dopovidi2020.02.037
  43. K.V. Slipchenko, D.A. Stratiichuk, V.Z. Turkevich, N.M. Belyavina, V.M. Bushlya, and J.-E. Ståhl, J. Superhard Mater., 42: 51 (2020); https://doi.org/10.3103/S1063457620020112
  44. M. Dashevskyi, О. Boshko, О. Nakonechna, and N. Belyavina, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39 No. 4: 541 (2017); https://doi.org/10.15407/mfint.39.04.0541
  45. N.N. Belyavina, D.A. Stratiichuk, O.I. Nakonechna, T.G. Avramenko, A.M. Kuryliuk, and V.Z. Turkevich, Dopov. Nac. Akad. Nauk Ukr., No. 2: 58 (2022) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/dopovidi2022.02.058
  46. N.M. Belyavina, V.Z. Turkevich, A.M. Kuryliuk, D.A. Stratiichuk, O.I. Nakonechna, P.P. Kogutyuk, and L.P. Stasuk, Dopov. Nac. Akad. Nauk Ukr., No. 1: 20 (2024) (in Ukrainian); https://doi.org/10.15407/dopovidi2024.01.020
  47. T.G. Avramenko, A.M. Kuryliuk, O.I. Nakonechna, and N.N. Belyavina, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 44, No. 6: 713 (2022); https://doi.org/10.15407/mfint.44.06.0713
  48. W. Lengauer, J. Phys. Chem. Sol., 52. No. 2: 393(1991); https://doi.org/10.1016/0022-3697(91)90089-I
  49. E. Penilla and J. Wang, J. Nanomater., 2008: 1 (2008); https://doi.org/10.1155/2008/267161
  50. R. Fix, R.G. Gordon, and D.M. Hoffman, Chem. Mater., 5, No. 5: 614 (1993); https://doi.org/10.1021/cm00029a007
  51. D.G. Sangiovanni, B. Alling, P. Steneteg, L. Hultman, and I.A. Abrikosov, Phys. Rev. B, 91, No. 5: 054301 (2015); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.054301
  52. S. Yu, Q. Zeng, A.R. Oganov, G. Frapper, and L. Zhang, Phys. Chem. Chem. Phys., 17, No. 17: 11763 (2015); https://doi.org/10.1039/c5cp00156k
  53. H. Yang, Z. Qian, H.Chen, X. Zhao, G. Han, W. Du, X. Nie, K. Zhao, G. Liu, Q. Sun, T. Gao, J. Zhou, J. Nie, and X. Liu, Acta Mater., 233: 117977 (2022); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117977
  54. O.I. Nakonechna, M.M. Dashevskyi, О.І. Boshko, V.V. Zavodyannyi, and N.N. Belyavina, Prog. Phys. Met., 20, No. 1: 5 (2019); https://doi.org/10.15407/ufm.20.01.005
  55. A. Sevy, D.J. Matthew, and M.D. Morse, J. Chem. Phys., 149, No. 4: 044306 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5041422
  56. W. Lengauer and A. Eder, Nitrides: Transition Metal Solid-State Chemistry. Encyclopedia of Inorganic Chemistry. First Edition (Wiley: 2006), p. 3515; https://doi.org/10.1002/0470862106.ia156
  57. N.M. Belyavina,V.Z. Turkevich, A.M. Kuryliuk, D.A. Stratiichuk, L.P. Stasuk, O.I. Nakonechna, and P.P. Kogutyuk, Dopov. Nac. Akad. Nauk Ukr., No. 3: 40 (2023); https://doi.org/10.1021/cm00029a007
  58. N.M. Belyavina, D.A. Stratiichuk, A.M. Kuryliuk, V.Z. Turkevich, O.I. Nakonechna, P.P. Kogutyuk, and L.P. Stasuk, J. Nano- Electron. Phys., 15, No. 3: 03030 (2023); https://doi.org/10.21272/jnep.16(2).02013
  59. A.M. Kuryliuk, V.Z. Turkevich, N.M. Belyavina, D.A. Stratiichuk, O.I. Nakonechna, and P.P. Kogutyuk, The 9th Int. Conf. ‘Physics of Disordered Systems’ (PDS’2023) (19–20 September 2023, Lviv, Ukraine), p. 60.
  60. N.M. Belyavina, V.Z. Turkevich, D.A. Stratiichuk, A.M. Kuryliuk, and O.I. Nakonechna, J. Nano- Electron. Phys., 16, No. 2: 02013 (2024); https://doi.org/10.21272/jnep.16(2).02013

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,