О. О. Бочечка — д‑р. техн. наук,
В. І. Лавріненко — д‑р. техн. наук,
Г. А. Петасюк — д‑р. техн. наук,
В. Г. Полторацький — канд. техн. наук,
В. В. Смоквина — канд. техн. наук,
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України;
В. Ю. Солод — канд. техн. наук,
Дніпровський державний технічний університет МОН України
Аналіз літературних даних свідчить про ефективну дію модифікування BN поверхні алмазів та позитивну дію плівок cBN на поверхні алмазних матриць. У статті переважну увагу зупинено на сучасних публікаціях, пов’язаних із нанесенням на алмазні зерна саме покриттів з мікро- та нанопорошків кубічного нітриду бору (cBN). Тобто, це дозволяє поєднати в одному абразивному матеріалі позитивні властивості двох надтвердих матеріалів, а саме — алмазу як матриці та кубічного нітриду бору як покриття. Встановлено, що в межах порошків марок АС6–АС20 нанесення на поверхню алмазних зерен збільшеної міцності (АС15–АС20) покриття з наявністю нанорозмірного кубічного нітриду бору дозволяє відчутно, до трьох разів, підвищити зносостійкість алмазних кругів.
У машинобудуванні порошки синтетичного алмазу невеликої міцності марок АС6 —АС20 широко застосовуються в процессах механообробки, і при цьому працездатність будь-якого алмазомісткого інструменту значною мірою визначається станом робочої поверхні зерен шліфпорошку алмазу. Важливо, щоби зерна абразиву не тільки достатньо виступали над поверхнею робочого шаруінструменту, а ще й добре утримувалися у зв’язці. Зерна НТМ мають різну морфологію та, відповідно, різняться за міцністю. Чим міцніші зерна (АС20), тим меншою є шорсткість їх поверхні, і тим більшого значення набуває надійне закріплення такого зерна у зв’язці. Так, міцніші зерна потребують міцнішої зв’язки, наприклад не полімерної, а металевої. Разом із тим, полімерні зв’язки є більш технологічними. Тому саме для таких зв’язок і застосовують покриття алмазних зерен — для кращого утримання у зв’язці та для досягнення підвищеної хімічної та термічної стійкості. Одним із варіантів досягнення цього є створення зносостійкого покриття на поверхні зерен шліфпорошків синтетичного алмазу збільшеної, з указаного вище діапазону, міцності з мікро- та нанопорошків кубічного нітриду бору та речовин з підвищеними адгезійними властивостями — неорганічних та органічних. Метою такого покриття є створення захисного бар’єру між зв’язкою та зерном для запобігання графітизації алмазу як під час виготовлення, так і під час застосування (шліфування). Покриття також забезпечує збільшення питомої поверхні зерен алмазу, що сприяє підвищенню надійності їх утримання у зв’язці. Це, своєю чергою, забезпечує можливість застосування у шліфувальних кругах на полімерній зв’язці шліфпорошків синтетичного алмазу з підвищеною міцністю зерен (із зазначеного вище діапазону) для обробки твердих сплавів.
Разом із тим, аналіз літературних даних свідчить про ефективну дію BN-модифікування поверхні алмазів та позитивну дію плівок c‑BN на поверхні алмазних матриць. В останні десятиліття значну увагу приділено дослідженню транспортних властивостей алмазу з водневим термінуванням (H‑алмазу). Водночас досягнення високої рухливості дірок у таких структурах залишається складною науково‑технічною проблемою. Уроботі [Achieving ultrahigh hole mobility in hydrogen-terminated diamond via boron nitride modifications. Diamond and Related Materials. April 2024. Vol. 144. Art. 111007] запропоноване збільшення рухливості дірок H‑алмазу шляхом модифікації саме кластерами нітриду бору (BN). Аморфні кластери BNбули нанесені на високоякісні H‑алмазні поверхні за допомогою магнетронного розпилення. Але тут для нас важливим є інше, адже H‑алмаз, модифікований BN, також демонструє виняткову стійкість до високих температур і чудову термічну стабільність завдяки ефекту BN-пасивації. У статті [Optical and acoustic phonons in turbostratic and cubic boron nitride thin films on diamond substrates. Diamond and Related Materials. December 2023. Vol. 140. Part A. Art. 110452] розглядалися тонкі плівки турбостратного нітриду бору (t‑BN) і кубічного нітриду бору (c‑BN), вирощені на B‑легованому полікристалічному та монокристалічному алмазі. Аналіз просвічувальної електронної мікроскопії з високою роздільною здатністю показав, що тонкі плівки кубічного нітриду бору складаються із суміші фаз c‑BN і t‑BN, причому c‑BN є домінуючою фазою. Уроботі [Effect of the modulation periods on the mechanical and tribological properties of cBN/NCD multilayer composite coating. Diamond and Related Materials. February 2023, Art. 109628] розглянуто механічні та трибологічні властивості багатошарового композиційного покриття cBN/NCD (кубічний нітрид бору та нанокристалічний алмаз). Випробування на тертя і знос засвідчили, що зносостійкість багатошарового композиційного покриття cBN/NCD пов’язана із залишковими напруженнями та в’язкістю руйнування, коефіцієнт тертя зберігає стабільність біля 0,12–0,15. Тобто, аналіз літературних даних свідчить про ефективну дію модифікування BN поверхні алмазів та позитивну дію плівок c‑BN на поверхні алмазних матриць.
У нашій роботі покриття на поверхні алмазних зерен утворювалося методом рідиннофазного нанесення в процесі кристалізації або ущільнення розчинних компонентів з комбінованого розчину-суспензії. До складу покриття можуть входити мікропорошки кубічного нітриду бору (КМ 3/2 або КМ нано) та оксид бору (В2 О3) і як закріплююча речовина:ПВС (полівініловий спирт). У даному повідомленні нами основна увага приділена питанню: якої саме дисперсності порошки кубічного нітриду бору бажано застосовувати для вказаного вище покриття.
 |
|
|
Рис. 1. Алмазні зерна АС15 160/125 з нанесеним на їхню поверхню покриттям з порошками кубічного нітриду бору: а) КМ 3/2; б) КМнано |
Вкажемо, що питання дисперсності нині є актуальним для сучасних дослідників. Так, метоюроботи [Micro vs nano: influence of filler size on the rheological and mechanical properties of highly-filled PLA/HAp and PCL/HAp composites. Journal of Materials Researchand Technology, July–August 2025] було виявлення впливу розміру частинок наповнювача на реологічну поведінку, а також мікро- і макромеханічні властивості полімерно-керамічних композитів. Як наповнювачі застосовувалися порошки гідроксіапатиту із середнім розміром частинок 10 мкм і 60 нм. Виявлено, що застосування нанометричного наповнювача привело до більш бажаних механічних властивостей і поліпшеної стабільності розплаву полімеру порівняно з композитами, що містили мікрометричний наповнювач. У дослідженні [Contribution of Ramanan alysis on tribological study of PEEK reinforced with micro or nano SiC particles. Wear. 1 June 2025. Vol. 570. Art. 205927] вивчалася трибологічна поведінка композитів поліефірефіркетону (PEEK), армованих частинками карбіду кремнію (SiC) різних розмірів і концентрацій. Результати засвідчили, що нанорозмірні частинки SiC забезпечують гарне зниження тертя порівняно з їхмікророзмірними аналогами при вмісті наповнювача 5–7,5 %. Тобто, нанорозмірні частинки, ймовірно, знижають тертя більш ефективно, аніж мікророзмірні, що підкреслює їх відмінні характеристики ковзання.
Повернемося до нашого питання: якої дисперсності порошки кубічного нітриду бору бажано застосовувати для покриття поверхні алмазних зерен. Для цього нами вибрані для нанесення покриття мікропорошки КМ3/2 та нанопорошки КМнано. Покриття наносилися на алмазні зерна АС15 160/125 (рис. 1).
Ці покриті алмазні шліфпорошки, а також вихідні алмазні порошки без покриття були застосовані при виготовленні алмазних шліфувальних кругів форморозміру 12 А2–45° 125х5х3х32 на полімерній зв’язці В2–08 з відносною концентрацією алмазів у робочому шарі — 100 %. Для експерименту був вибраний важкооброблюваний вольфрамо-кобальтовий твердий сплав марки ВК6 з розмірами зразка 63 . 15. 7 мм. Шліфування провадилося без охолодження, щоби не вносити додаткових збурень у процес обробки. Режими шліфування: швидкість обертання кругу — 18 м/с, поперечна подача — 0,05 мм/пдв. хід, повздовжня подача — 0,57 м/хв. (для продуктивності обробки 200 мм 3/хв.) та 1,14 м/хв. (для продуктивності обробки 400 мм 3/хв.). Оцінювалися зносостійкість шліфувального інструменту за показником відносних витрат алмазів (q) і шорсткість обробленої поверхні за показником (Ra). Результати випробувань наведені в табл. 1.
Таблиця 1. Експлуатаційні показники алмазних шліфувальних кругів на полімерній зв’язці В2–08 із відносною концентрацією зерен у 100 % і алмазними зернами АС15 160/125 з різним покриттям
Аналіз даних з табл. 1 дозволив установити таке:
1. В обох випадках нанесення покриття з кубічного нітриду бору на поверхню алмазних зерен дозволяє знизити знос алмазних кругів.
2. Встановлено, що нанесення покриття КМнано дозволяє фактично втричі зменшити знос алмазних кругів, а КМ 3/2 — вдвічі. Тобто, у питанні «нано чи мікро для покриття з кубічного нітриду бору» відповідь на боці нано, що, власне, і підтверджує висновки робіт [«Micro vs nano: influence of filler size on the rheological and mechanical properties of highly-filled PLA/HAp and PCL/Hap composites» і «Contribution of Raman analysis on tribological study of PEEK reinforced with micro or nano SiC particles»].
3. Разом із тим, з даних таблиці видно, що в усіх випадках наявність покриття на поверхні алмазних зерен призводить до погіршення шорсткості обробленої поверхні — показник Ra зростає. Але, знову ж таки, при покритті КМнано це зростання є не таким відчутним, як при покритті КМ 3/2.
Таким чином, встановлено, що нанесення на поверхню алмазних зерен збільшеної міцності (в межах порошків марок АС6–АС20) покриття з наявністю кубічного нітриду бору дозволяє відчутно підвищити зносостійкість алмазних кругів, що може бути викликане покращенням утримання у зв’язуючому таких алмазних зерен збільшеної міцності.
Але тепер поглянемо на питання щодо порівняння покриття з кубічного нітриду бору КМнано та КМ 3/2 на поверхню алмазних зерен з точки зору їх морфометричних характеристик, тобто — як саме тут різнятьсяці покриття на алмазних зернах (табл. 2).
Таблиця 2. Морфометричні характеристики й однорідність початкового шліфпорошку(АС15 160/125) та з нанесеними на його поверхню зерен з покриттями В2 О3 + KM 3/2і В2 О3 + КМнано
Висновки щодо «позитиву» В2 О3+ КМнано у порівнянні зі зразком В2 О3+ KM 3/2, які можна зробити з табл. 2:
1. Розмірні характеристики КМнано дещо більші, тобто зерна крупніші. Однорідність за розмірними характеристиками менша.
2. Через те, що зерна крупніші, питома площа поверхні менша, число зерен в одному караті також менше.
3. Шорсткість проєкції зерен більша, однорідність за цією морфометричною характеристикою також більша.
4. Окремо звернемо увагу на показник relAreal — відносну долю світлої частини проєкції зерна в загальній площі проєкції. З табл. 2 видно, що тут найбільше значення показника у вихідного непокритого алмазного зерна, а найменше — у покриття КМнано. А більш реально ми можемо побачити це з фотографій алмазних зерен (рис. 2), коли більш світла частина проглядається в зерен із покриттям КМ 3/2.
 |
|
|
Рис. 2. Зображення алмазних зерен АС15 160/125 з покриттям КМ3/2 (а) та покриттям КМнано (б) |
Крім іншого, встановлено, що однорідність за формоподібністю в покриття КМнано є найвищою. Виявлено також, що у КМнано ступінь і товщина покриття менші, але більша кількість зерен із проєкцією у формі прямокутника, трапеції, напівправильних дванадцятикутника та восьмикутника. Вищий показник однорідності за формоподібністю проєкції зерен. Менша кількість зерен із проєкцієюу формі овалоподібних фігур (коло + еліпс).
Таким чином, встановлено, що нанесення на поверхню алмазних зерен збільшеної міцності (в межах діапазону порошків марок АС6–АС20) покриття з наявністю нанорозмірного кубічного нітриду бору дозволяє відчутно (більш ніжу 3 рази) підвищити зносостійкість алмазних кругів, що може бути викликане покращенням утримання у зв’язуючому таких алмазних зерен збільшеної міцності. Такий покращений алмазний інструмент може бути застосований у механообробці новітніх матеріалів, які нині використовуються у машино- та авіабудуванні.
За питаннями виготовлення шліфувального та спеціального прецизійного правлячого інструменту та впровадження
ефективних процесів алмазно-абразивної обробки й отримання більш детальної інформації можна звертатися
в ІНМ ім. В. М. Бакуля НАН України, відділ алмазно-абразивної та фізико-технічної обробки.
e‑mail: lavrinenko@ism.kiev.ua
