Effect of CrB2 on the Microstructure, Properties, and Wear Resistance of Sintered Composite and the Diamond Retention in Fe–Cu–Ni–Sn Matrix
Loading...
Date
2021
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Allerton Press Inc., USA
Abstract
EN: Using the method of powder metallurgy, we studied the effect of CrB2 additives (0–8 wt %)
on the formation of the structure of the diamond–matrix transition zone and the matrix material,
microhardness, elastic modulus, and fixation of diamond grains in a Fe–Cu–Ni–Sn matrix and
determined the wear resistance of sintered composite diamond-containing materials (DCMs). Micromechanical
and tribological tests were carried out using composite samples 10 mm in diameter and
5 mm thick. The transition zone structure depends significantly on the concentration of CrB2 in the
composite and has a different nature than the structure of the matrix material. The structure of the
DCM transition zone based on the 51Fe–32Cu–9Ni–8Sn matrix consists of Cu, α-Fe, and Ni3Sn
phases with graphite inclusions, and with the addition of CrB2, it consists of the α-Fe phase and Fe3C,
Cr7C3, and Cr3C2 carbide layers without graphite inclusions. The hardness and elastic modulus of the
matrix material of the sintered composites linearly increase with an increase in the concentration of
CrB2 in their composition, while the wear rate decreases. The addition of 2 wt % of CrB2 to the 51Fe–
32Cu–9Ni–8Sn composite increases hardness from 4.475 to 7.896 GPa and an elastic modulus from
86.6 to 107.5 GPa and decreases the wear rate from 21.61 × 10–6 to 10.04 × 10–6 mm3 N–1 m–1. The
mechanism for improving the mechanical properties and decreasing the wear resistance of DCM samples
containing CrB2 additive consists in grain refining of the matrix phases of iron and copper from
5–40 to 2–10 μm and in binding carbon released during graphitization of diamond grains into nanosized
carbides Fe3C, Cr7C3, and Cr3C2. This, in turn, increases the ability of the matrix material to
keep diamond grains from falling out during the operation of DCMs. The coarse-grained structure
and the formation of graphite inclusions in the diamond–matrix transition zone explain poor
mechanical and tribological properties of the initial (51Fe–32Cu–9Ni–8Sn) composite, causing its
premature destruction and falling out of diamond grains from the DCM matrix.
UK: Методом порошкової металургії досліджено вплив добавки CrB2 (в інтервалі від 0 до 8 % (за масою)) на формування структури перехідної зони алмаз–матриця і матеріалу матриці, мікротвердість, модуль пружності, закріпленість алмазних зерен в матеріалі матриці Fe–Cu–Ni–Sn та зносостійкість спечених композиційних алмазовмісних матеріалів (КАМ). Мікромеханічні і трибологічні випробування проводили на зразках композитів діаметром 10 мм і товщиною 5 мм. Встановлено, що структура перехідної зони суттєво залежить від вмісту CrB2 у складі композита і має іншу природу, ніж структура матеріалу матриці. Структура перехідної зони КАМ на основі матриці 51Fe–32Cu–9Ni–8Sn складається з фаз Cu, a-Fe і Ni3Sn з графітовими включеннями, а з добавкою CrB2 – з фази a-Fe і карбідних прошарків Fe3C, Cr7C3, Cr3C2 без графітових включень. Показано, що твердість і модуль пружності матеріалу матриці спечених композитів лінійно зростають зі збільшенням концентрації CrB2 в їх складі, а швидкість зносу зменшується. Додавання 2 % (за масою) CrB2 до складу композита 51Fe–32Cu–9Ni–8Sn привело до підвищення твердості від 4,475 до 7,896 ГПа і модуля пружності від 86,6 до 107,5 ГПа та зменшення швидкість зносу від 21,61×10-6 до 10,04×10-6 мм3 Н-1 м-1. Механізм підвищення механічних властивостей і зносостійкості зразків КАМ, що містять у складі добавку CrB2, полягає в здрібненні матричних фаз заліза і міді з 5-40 до 2-10 мкм і в зв’язуванні вуглецю, що виділяється при графітизації алмазних зерен, в нанорозмірні карбіди Fe3C, Cr7C3, Cr3C2. Це, в свою чергу, підвищує здатність матеріалу матриці утримувати алмазні зерна від їх випадіння в процесі роботи КАМ. Низькі значення механічних і трибологічних властивостей вихідного (51Fe–32Cu–9Ni–8Sn) композита пояснюються крупнозернистою структурою та формуванням в перехідній зоні алмаз–матриця графітових включень, що спричиняє передчасне її руйнування та випадіння алмазних зерен з матриці КАМ.
UK: Методом порошкової металургії досліджено вплив добавки CrB2 (в інтервалі від 0 до 8 % (за масою)) на формування структури перехідної зони алмаз–матриця і матеріалу матриці, мікротвердість, модуль пружності, закріпленість алмазних зерен в матеріалі матриці Fe–Cu–Ni–Sn та зносостійкість спечених композиційних алмазовмісних матеріалів (КАМ). Мікромеханічні і трибологічні випробування проводили на зразках композитів діаметром 10 мм і товщиною 5 мм. Встановлено, що структура перехідної зони суттєво залежить від вмісту CrB2 у складі композита і має іншу природу, ніж структура матеріалу матриці. Структура перехідної зони КАМ на основі матриці 51Fe–32Cu–9Ni–8Sn складається з фаз Cu, a-Fe і Ni3Sn з графітовими включеннями, а з добавкою CrB2 – з фази a-Fe і карбідних прошарків Fe3C, Cr7C3, Cr3C2 без графітових включень. Показано, що твердість і модуль пружності матеріалу матриці спечених композитів лінійно зростають зі збільшенням концентрації CrB2 в їх складі, а швидкість зносу зменшується. Додавання 2 % (за масою) CrB2 до складу композита 51Fe–32Cu–9Ni–8Sn привело до підвищення твердості від 4,475 до 7,896 ГПа і модуля пружності від 86,6 до 107,5 ГПа та зменшення швидкість зносу від 21,61×10-6 до 10,04×10-6 мм3 Н-1 м-1. Механізм підвищення механічних властивостей і зносостійкості зразків КАМ, що містять у складі добавку CrB2, полягає в здрібненні матричних фаз заліза і міді з 5-40 до 2-10 мкм і в зв’язуванні вуглецю, що виділяється при графітизації алмазних зерен, в нанорозмірні карбіди Fe3C, Cr7C3, Cr3C2. Це, в свою чергу, підвищує здатність матеріалу матриці утримувати алмазні зерна від їх випадіння в процесі роботи КАМ. Низькі значення механічних і трибологічних властивостей вихідного (51Fe–32Cu–9Ni–8Sn) композита пояснюються крупнозернистою структурою та формуванням в перехідній зоні алмаз–матриця графітових включень, що спричиняє передчасне її руйнування та випадіння алмазних зерен з матриці КАМ.
Description
N. Kuzin: ORCID 0000-0002-6032-4598
Keywords
composite, diamond–matrix transition zone, composition, concentration, structure, hardness, elastic modulus, wear rate, композит, перехідна зона алмаз–матриця, склад, концентрація, структура, твердість, модуль пружності, швидкість зносу, КРС (ЛФ)
Citation
Mechnik V. A., Bondarenko N. A., Kolodnitskyi V. M., Zakiev V. I., Zakiev I. M., Gevorkyan E. S., Chishkala V. A., Kuzin N. O. Effect of CrB2 on the Microstructure, Properties, and Wear Resistance of Sintered Composite and the Diamond Retention in Fe–Cu–Ni–Sn Matrix. Journal of Superhard Materials. 2021. Vol. 43, No. 3. P. 175–190. DOI: 10.3103/S1063457621030060.