CC BY
35
Влияние диффузии и химических реакций на структуру и свойства буровых вставок. 1. Кинетическое описание систем
Салмаз - ВК6 и Салмаз - (ВК6 - С^ - W2B5)
Н.В. Новиков, Н.А. Бондаренко, А.Н. Жуковский1, В.А. Мечник
Институт сверхтвердых материалов НАН Украины, Киев, 04074, Украина 1 Институт математики НАН Украины, Киев, 01601, Украина
Представлен метод описания физико-химического поведения композитов состава алмаз - твердый сплав ВК-6, отличающихся служебными свойствами. Метод основан на вычислении кинетических констант на различных стадиях процесса спекания по известной и предложенной моделям с использованием экспериментальных данных о скорости усадки. Обсуждаются особенности уплотняемости структурных составляющих материала, вопросы улучшения структуры и свойств композита. Предложено в качестве меры качества готовых изделий принять энергии активации процессов диффузии, поверхностных химических реакций между компонентами, включая алмаз, и кинетические параметры.
The effect of diffusion and chemical reactions on the structure and properties of drill bit inserts. 1. Kinetic description of systems
Cdiamond
VK6 and С
diamond
(VK6-CrB2-W2B5)
N.V Novikov, N.A. Bondarenko, A.N. Zhukovskii1, and VA. Mechnik
Institute for Superhard Materials NAS, Kiev, 04074, Ukraine 1 Institute of Mathematics NAS of Ukraine, Kiev, 01601, Ukraine
We propose a method of describing the physico-chemical behavior of diamond - hard alloy VK6 composites distinguished by their service properties. The method is based on the calculation of kinetic constants on different stages of sintering using the conventional and proposed models with the experimental data on the shrinkage rate. The compressibility features of composite structural elements as well as the problems of improving the structure and properties of the composite are discussed. The activation energy of diffusion and surface chemical reactions between the elements (including diamond) and kinetic parameters are suggested to be used as a quality measure for finished products.
1. Введение
В [1, 2] построены математические модели процессов спекания сверхтвердых композиционных алмазосодержащих материалов на основе металлических связующих и влияние на них температуры и давления. Там же было показано, что введение диборида хрома СгВ2 в шихту на основе Сшмаз-^е-Си-№^п) при некоторых условиях совершенствует структуру и обеспечивает требуемые свойства композита. В этом случае кажущаяся энергия активации диффузии резко уменьшается, а кинетические параметры приобретают стабильные значения.
Сверхтвердые композиционные алмазосодержащие материалы на основе вольфрамокобальтовых сплавов используют для изготовления буровых долот, которые работают в тяжелых условиях нагружения в присутствии вибраций. Они должны обладать высокой микротвердостью, прочностью, противодействием высоким температурам, износостойкостью и надежностью, иметь возможность к самозатачиванию и быть химически инертными по отношению к реагентам бурового раствора. Для обеспечения перечисленных свойств матрица композита должна обладать следующими свойст-
© Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А., 2005
вами: равномерное распределение фазовых составляющих, максимальная уплотняемость компонентов, сформированное однородное напряженное состояние, наличие достаточно сильных химических связей на контакте алмаз - матрица. Такие материалы изготавливают методом горячего прессования смеси частиц природных алмазов или особо прочных и термостойких синтетических с менее крупными частицами карбида вольфрама и кобальта. В эти смеси иногда вводят тугоплавкие соединения переходных металлов, активирующие процесс спекания и обеспечивающие требуемые свойства композита. При спекании под давлением в них протекает ряд сложных процессов: вязкое течение материала, процессы диффузии, самодиффузия, химические реакции между компонентами шихты, смена механизмов массопереноса, образование новых фаз, пассивное перемещение алмазов и их взаимодействие с матрицей. При некоторых условиях эти процессы могут привести к уникальным структурам и свойствам, к новым явлениям и эффектам. Экспериментальное исследование таких процессов дорогостоящее, трудоемкое, требует сложного оборудования. Его проводят, как правило, для контрольных образцов, чтобы определить главное направление в улучшении структуры и свойств материалов. Поэтому его дополняют математическим описанием процессов спекания с целью обнаружения превалирующих факторов и определения количественных параметров физико-химических процессов, которые, в конечном итоге, отвечают за качество материалов. Перечисленный круг вопросов имеет химические, физические, материаловедческие и, конечно, математические аспекты.
В настоящей работе предлагается метод описания физико-химических процессов, происходящих при изготовлении композита на основе вольфрамокобальтовых сплавов на различных стадиях спекания. Метод основан на кинетическом анализе процессов зародышеобра-зования, диффузии и химических реакций по известной и предложенной нами моделям. Работа условно разделена на две части, характеризующие сущность проблемы. В первой части основное внимание сосредоточено на определении энергии активации процессов зароды-шеобразования и диффузии, химических реакций и кинетических параметров процесса изготовления буровых вставок состава алмаз - твердый сплав ВК6 и влияния на них добавки СгВ2-^В5. Во вторую часть работы включены результаты структурных исследований образцов с целью установления природы алмазоудержания в матрице и разработки метода определения качества конечных изделий.
2. Материалы и методы исследований
В качестве базовых образцов материала выбраны буровые вставки диаметром 10 и высотой 10 мм, изготов-
ленные методом горячего прессования смеси, мас. %: СалMa3-(94WC-6Cо) в интервале температур 300-1800 К и давлений 0.5-32 МПа (образцы № 1). Для сравнения и более глубокого исследования влияния физикохимических процессов на поведение спекаемого материала были изготовлены опытные образцы (образцы №2) из смеси специального состава, мас.%: Сшмаз-(93.2WC-6Cо-0.5 CrB2-0.3W2B5), технологический режим аналогичен режиму образцов № 1. Общее содержание примесей диборида хрома СгВ2 и пентабо-рида дивольфрама W2B5 составляло соответственно 0.17 и 0.11 мас.%. Размеры зерен порошков WC, Со, СгВ2 и W2B5 равны 3-5 мкм. В шихту рабочей части образцов добавляли природные алмазы зернистостью 800/630 мкм с относительной концентрацией 100 %, что соответствует 4.4 карата на 1 см3. Порошки смешивали в среде спирта и перемешивали во вращающемся контейнере в течение 72 ч. Снаряжение ячейки для спекания готовили согласно требованиям производства буровых вставок на основе твердого сплава ВК6. Спекание образцов №№ 1, 2 после предварительного холодного прессования смесей проводили на специальной установке (рис. 1) с использованием графитовой формы 1 с отверстиями для засыпки шихты, графитовых пунсонов 2, гидравлической системы измерения давления 3 с предохранительным клапаном и датчиком давления, системы для измерения и управления температурой 4 с оптоэлектронным блоком, инфракрасным датчиком и электронной лампой. Точность измерения температуры и давления составляла соответственно 0.5 градуса и 100 Па. При изучении зависимостей относительной усадки от температуры, давления и времени допускалось, что углеродосодержащее окружение не влияет на результаты.
Рис. 1. Технологическая схема процесса спекания образцов методом горячего прессования на начальной (а) и окончательной (б) стадиях
Таблица 1
Зависимости относительной усадки и скорости усадки при спекании образцов от температуры, давления и времени процесса
№ п/п t, с Т, К Р, МПа а = М/1 dа/dt
Номер образцов Номер образцов
1 2 1 2
1 2 293 0.80 0.0019 0.0002 0.000034 0.000034
2 20 373 0.80 0.0007 0.0004 0.000062 0.000051
3 40 773 0.80 0.0009 0.0014 0.000369 0.000021
4 60 1013 0.80 0.0074 0.0019 0.001225 0.000041
5 80 1088 0.80 0.0322 0.0027 0.002559 0.000061
6 100 1163 0.80 0.0837 0.0014 0.003504 0.000029
7 120 1233 0.80 0.1540 0.0008 0.004438 0.000161
8 140 1273 0.80 0.2430 0.0022 0.004802 0.000505
9 160 1303 0.80 0.3390 0.0133 0.003519 0.012568
10 180 1328 4.42 0.4090 0.2674 0.002560 0.007781
11 200 1358 5.00 0.4600 0.4207 0.001695 0.003320
12 220 1388 5.31 0.4937 0.4864 0.001122 0.000756
13 240 1443 7.50 0.5160 0.5010 0.000517 0.000363
14 260 1513 9.55 0.5262 0.5083 0.000409 0.000301
15 280 1553 13.45 0.5344 0.5143 0.000401 0.000483
16 300 1593 18.10 0.5424 0.5250 0.000286 0.000303
17 320 1633 20.25 0.5481 0.5300 0.000280 0.000399
18 340 1663 22.28 0.5537 0.5380 0.000261 0.000252
19 360 1673 23.75 0.5589 0.5430 0.000146 0.000378
20 380 1655 25.47 0.5618 0.5506 0.000105 0.000317
21 400 1598 26.00 0.5639 0.5569 0.000114 0.000231
22 420 1543 26.50 0.5662 0.5615 0.000199 0.000205
23 440 1473 27.00 0.5702 0.5656 0.000116 0.000183
24 460 1383 27.50 0.5725 0.5693 0.000080 0.000192
25 480 1253 28.65 0.5741 0.5731 0.000129 0.000028
26 500 1133 29.00 0.5767 0.5736 0.000145 0.000062
27 520 973 27.00 0.5796 0.5749 0.000115 0.000053
28 540 973 29.00 0,5819 0.5759 0.000110 0.000002
29 560 973 29.00 0.5841 0.5759 0.000036 0.000010
30 580 973 29.00 0.5848 0.5759 0.000129 0
31 600 973 29.00 0.5874 0.5759 0.000037 0
32 620 973 29.00 0.5881 0.5759 0.000054 0
33 640 973 29.00 0.5892 0.5759 0.000065 0
34 660 973 29.00 0.5905 0.5759 0.000060 0
35 680 973 29.00 0.5917 0.5759 0.000030 0
36 700 973 29.00 0.5923 0.5759 0.000030 0
37 720 973 29.00 0.5929 0.5759 0.000020 0
38 740 973 29.00 0.5933 0.5759 0.000074 0
39 760 973 29.00 0.5948 0.5759 0.000061 0
40 780 973 30.00 0.5960 0.5759 0.000011 0
41 800 973 31.85 0.5962 0.5759 0.0000001 0
42 820 973 31.85 0.5962 0.5759 0.000001 0
43 840 973 31.85 0.5963 0.5759 0.000002 0
44 860 973 31.85 0.5963 0.5759 0.000000 0
Для расчетов скорости усадки по экспериментальным данным относительной усадки использовали кубические сплайны. Полученные результаты кинетики усадки приведены в таблице 1.
Как видно из анализа табл. 1, процесс спекания условно можно разделить на две стадии. На первой или начальной стадии в результате интенсивного нагревания и увеличения давления прессования с появлением жидкой фазы происходит быстрая усадка (время стадии длится =200 с в зависимости от состава шихты). Расстояние между центрами частиц на этой стадии уменьшается.
На второй или заключительной стадии усадка уменьшается с затухающей скоростью и достигает предельного значения при ёа/ёг ^ 0, несмотря на то, что продолжается дальнейшее увеличение давления прессования в течение всего процесса. Это означает, что продолжается дальнейшее уплотнение составляющих материала на молекулярном уровне, изменение механизма массо-переноса и формирование структуры [3]. При этом усадка образцов № 2 достигает предельного значения (ёа/ё? ^ 0) на 300 с быстрее по сравнению с образцами № 1. Физико-химические процессы, происходящие при этом, имеют разнообразную природу, и сложно произвести их качественный анализ на всем протяжении процесса. Поэтому представляется целесообразным произвести анализ таких процессов, происходящих на различных стадиях спекания по всем возможным механизмам и выделить превалирующие факторы, влияющих на их протекание и качество готовых изделий.
3. Кинетическое описание процессов зародышеобразования, диффузии и химических реакций
3.1. Кинетические уравнения и положения
Для решения задачи использовали три известные модели [4]:
- обобщенное уравнение Иохансона-Мела-Авра-ми-Ерофеева-Колмогорова для описания процессов зародышеобразования:
- 1п(1-а) = ка?г, (1)
- параболический закон для описания диффузии
(1 - (1 - а)1/3)2 = АКаГ, (2)
- уравнение, когда скорость процесса определяет химическая реакция
(1 - (1 -а)п) = Каг. (3)
Здесь а = (I -10/1) — нормированная усадка или относительный параметр уплотнения; I и 10 — соответственно линейные размеры в начальный и текущий мо-
менты времени г, с; Ка — константа скорости, с-1; г и п — показатели степени, которые имеют смысл кинетических параметров; А — коэффициент, характеризующий долю поверхности непрореагировавших частиц.
Уравнение, когда скорость процесса определяют диффузия и химическая реакция [1], имеет вид:
^ = ат (1 -а)пКа (Т, Р), (4)
а?
где Ка (Т, Р) — обобщенная константа скорости, которая зависит от температуры и давления прессования, с-1; т и п — показатели степени, имеющие смысл кинетических параметров процесса: т характеризует диффузионные процессы; п — порядок химической реакции.
Математическое описание процессов спекания материалов с использованием кинетических уравнений (1)-(4) основано на следующих положениях. Первым положением является то, что константа скорости Ка подчиняется закону Аррениуса:
где К0 — предэкспоненциальный множитель (частотный фактор), с-1; Еа — кажущаяся энергия активации процесса, Дж/моль; R = 8.31 Дж/(моль-К) — газовая постоянная; Т — текущая температура, К.
Проблема применимости уравнений (1)-(5) остается важной, так как до сих пор не предложены более качественные модели, позволяющие объяснить процессы, происходящие при спекании многокомпонентной смеси, состоящей из частиц алмазов, окруженных более мелкими частицами порошковых материалов (в данном случае карбида вольфрама, кобальта, диборида хрома и пентадиборида вольфрама). С одной стороны, значение Еа определяет энергетический барьер, который должен быть преодолен атомами реакционной системы, чтобы произошли химические реакции и процессы диффузии, а с другой стороны, значение Еа характеризует зависимость скорости от температуры. В то же время, возникает необходимость учета влияния прикладываемого давления на Еа, механизмы массопереноса и кинетические константы процессов при горячем прессовании.
Вторым положением моделирования является то, что в уравнении (5) Еа представляем в виде
Еа = Е0 - PV, (6)
где Е0 — величина энергетического барьера, Дж/моль; Р — текущее давление, МПа; V — активационный объем, м3/моль. Оценить V можно по данным атомного объема компонентов с учетом параметров кристаллической решетки.
Ка = К0 ехР
3.2. Кинетический анализ
Кинетический анализ сводится к вычислению кинетических констант уравнений (1)-(4), удовлетворяющих соотношениям (5), (6) и экспериментальным значениям скорости усадки, приведенным в табл. 1.
В рамках кинетического уравнения Иохансона-Мела-Аврами-Ерофеева-Колмогорова на первой стадии процесс спекания образцов № 1 характеризуется увеличивающейся скоростью зародышеобразования (так как кинетический параметр г = 1.06 [4]):
1.06 .
1п(1 - а) = 0.0005643? х
х ехр| -
7592.03 - 0.004996Р ЯТ
(7)
где Ев1 = 7592.03 Дж/моль — энергия активации процесса зародышеобразования (здесь и далее индексы 1 и 2 относятся соответственно к образцам № 1 и № 2 на каждой из рассматриваемых стадий процесса); ? — текущее время. На этой стадии процесс спекания образцов № 2 характеризуется уменьшающейся скоростью заро-дышеобразования:
1п(1 - а) = 0.0004834?0 42 х
х ехр| -
14642.12 - 0.014052Р
ЯТ
(8)
Здесь Е02 = 14642.12 Дж/(моль-К) в два раза больше Ее1. Это связано с тем, что условия спекания еще не изменили полностью энергетическое состояние СгВ2 и
^^2В5.
В то же время начинаются процессы диффузии по параболическому закону:
- для образцов № 1
(1 - (1 - а)1/3)2/? = 2.285 • 10-5 х
х ехр
28501.66 - 0.01104Р ЯТ
- для образцов № 2
(1 - (1 -а)1/3)2/? = 1.0005-10-8 х
(9)
х ехр
27120.65 - 0.027589Р ЯТ
(10)
Здесь ЕВ1 = 28501.66 и ЕВ2 = 27120.65 Дж/моль — значения энергии активации диффузии при спекании. Они примерно в два раза выше энергий активации за-родышеобразования. Можно предположить, что на этом этапе процессы затрудняются из-за недостаточного уплотнения структурных составляющих композита. Тем не менее, сравнение значений ЕВ1 и ЕВ2 в уравнениях
(9) и (10) указывает на то, что введение СгВ2 и W2B5 в стандартную шихту оказывает положительное влияние на формирование структуры композита уже на начальной стадии.
Если проанализировать роль химических реакций на первой стадии, то полученные математические модели (11)-(13) для их описания при спекании образцов № 1 не адекватны реальному процессу (^расч < ^кр):
(1 - (1 - а)13)/? = 0.0002628х
х ехр| -
8121.54 - 0.004893Р ЯТ
(1 - (1 - а)1/2)/? = 0.0003872 х 7997.69 - 0.004804Р
(11)
х ехр
ЯТ
(12)
а/ ? = 0.000735 х
х ехр
7636 - 0.00455Р ЯТ
(13)
поэтому можно предположить, что здесь роль химических реакций не столь существенна.
По сравнению со спеканием образцов № 1 на формировании структуры и свойств образцов № 2 начинают сказываться поверхностные химические реакции. Наиболее статистически достоверным является их трехмерный характер (уравнение (14) в сравнении с двумерным (15) и одномерным (16)):
(1 - (1 - а)13)/? = 5.4975 -10"6 х
х ехр| -
7431.036 - 0.013168Р ЯТ
(1 - (1 - а)1/2)/? = 8.2428 • 10-6 х 7368.809 - 0.013092Р
(14)
х ехр
ЯТ
(15)
а/? = 1.6465 -10"5 х
х ехр
7185.401 - 0.012867Р ЯТ
(16)
На второй стадии спекания образцов № 1 процесс зародышеобразования практически не происходит (г = = 0.08). Его увеличение напрямую связано с диффузией на всем времени спекания и химическими поверхностными реакциями на втором этапе спекания:
- 1п(1 -а) = 0.5268?0 08 х
(1 - (1 -а)1/2)/? =
х ехр
2600.76 - 8.55 • 10-5 Р ЯТ
(17)
На этой стадии спекания образцов № 2 процесс характеризуется уменьшающейся скоростью зародыше-образования:
- 1п(1 - а) = 0.08655794?0 396 х
х ехр
1635.002 - 0.00164Р ЯТ
(18)
Анализ уравнений (17) и (18) показывает, что введение добавки СгВ2-W2B5 в стандартную шихту снижает энергию активации зародышеобразования от 2600.76 до 1635.00 Дж/моль и увеличивает значения кинетического параметра г от 0.08 до 0.396. Эти обстоятельства позволяют предположить, что на второй стадии спекания образцов № 2 на границе контакта алмаз - матрица образуется карбид состава (Сг, W) Сх (где х > 1), что должно предотвратить образованию сегрегаций свободного углерода и повысить тем самым механические характеристики композита.
В результате изменения внутренней структуры композита существенно уменьшилась энергия активации диффузии с 28502.67 до 2113 Дж/моль, это объясняется активностью диффузионных процессов на заключительной стадии спекания образцов № 1. Диффузионные процессы преобладают на этой стадии:
(1 - (1 - а)1/3)2/? = 0.000254 х
х ехр
2113.06 - 0.00019Р ЯТ
(19)
Энергия активации процессов диффузии при спекании образцов № 2 на заключительной стадии в два раза меньше аналогичного параметра образцов № 1:
(1 - (1 - а)1/3)2/? = 0.00019445х
х ехр
1085.581 - 0.00011Р ЯТ
(20)
что свидетельствует о существенной роли используемых добавок в формировании структуры композита.
На окончательной стадии спекания образцов № 1 параллельно диффузионным процессам происходят поверхностные химические реакции
(1 - (1 - а)1/3)/? =
= 0.000254ехр| -
13507.46 ЯТ
(21)
= 0.0002914ехр| -
13674.98
ЯТ
а/? = 0.002480ехр| -
14126.82
ЯТ
(23)
Высокие значения энергии активации химических реакций между компонентами по сравнению с энергией активации процессов диффузии (ЕЯ2 > Ев2) указывают на то, что атомам реакционной системы трудно преодолеть энергетический барьер для того, чтобы произошли химические реакции при спекании стандартных образцов (ЕЯ2- 13507.46 Дж/моль > ЯТ) [5]. Можно предположить, что на окончательной стадии спекания энергия активации химических реакций возрастает из-за образования свободных вакансий вследствие диффузии в спекаемом материале. В противоположность образцам № 1 при спекании образцов № 2 энергия активации химических реакций между компонентами имеет существенно меньшие значения:
(1 - (1 -а)1/3)/ ? =
= 0.00127116ехр| -
8040.67
ЯТ
(1 - (1 -а)1/2)/? =
= 0.001816 ехр| -
8181.41
ЯТ
а/? = 0.0031512ехр| -
8562.22 ЯТ
(24)
(25)
(26)
Значения ЕЯ 2 = 8040.67 Дж/моль свидетельствуют о том, что атомам реакционной системы с добавками СгВ2 и W2B5 легче преодолеть энергетический барьер, для того чтобы произошли химические реакции, ЕЯ 2 = = ЯТ. Анализ уравнений (21)-(23) и (24)-(26) позволяет констатировать, что поверхностные химические реакции между компонентами композита, включая и алмаз, улучшают структуру и алмазоудержание. Поэтому за меру качества конечного изделия можно принять энергии активации диффузионных процессов и химических реакций вместе с кинетическими параметрами.
Приводим окончательные выражения для более общего случая, когда скорость процесса определяют диффузионные процессы и химические реакции:
Для образцов № 1 - на первой стадии
ёа
— = 0.03745а ич3(1 -а)2 ё?
х ехр
9755.19 - 0.000808Р ЯТ
(27)
х
Таблица 2
Статистическая проверка математических моделей, исследуемых образцов
Кинетические уравнения (модель) Число степеней свободы ^1 &2 Множественный коэффициент корреляции, г Расчетное значение критерия ФишеРа, .РраСч Критическое значение критерия Фишера, Fкр
Образец № 1
7 3 6 0.7284 5.3825 4.7571
9 2 7 0.7254 5.2913 4.7374
11 2 7 0.1945 0.8452 4.7374
12 2 7 0.1910 0.8264 4.7374
13 2 7 0.1807 0.7718 4.7374
17 2 30 0.9495 188.072 3.3158
19 2 31 0.9047 147.067 3.3048
21 1 32 0.7412 91.6437 4.1491
22 1 32 0.7391 90.6362 4.1491
23 1 32 0.7333 87.9686 4.1491
27 4 5 0.9990 1222.38 5.1922
28 4 39 0.6460 17.7909 2.6123
Образец № 2
8 1 6 0.8934 16.7575 4.7571
10 2 7 0.8370 17.9789 4.7374
14 2 7 0.7813 12.5060 4.7374
15 2 7 0.7795 12.3707 4.7374
16 2 7 0.7739 11.9770 4.7374
18 2 16 0.9183 89.9594 3.6337
20 2 16 0.8431 43.0018 3.6337
24 1 17 0.4187 12.2445 4.4513
25 1 17 0.4126 11.9429 4.4513
26 1 17 0.3969 11.1890 4.4513
29 4 6 0.9284 19.4403 4.5337
- на конечной стадии
— = 0.0596а0 59 (1 -а)351 х ё?
х ехр
7420.43 - 0.001105Р ЯТ
Для образцов № 2
- на конечной стадии
— = а°678(1 -а)11 5902 х ё?
х ехр
30815.3734 + 0.000134Р ЯТ
(28)
(29)
где параметры соотношения а (1 - а) характеризуют обобщенные процессы. На первой стадии спекания образцов № 1 т = 0.43 = 2/5 и п = 2.08 свидетельствуют
о том, что имеет место вязкое течение материала, заро-дышеобразование и химические реакции. На заключительной стадии процесса показатель степени т = 0.59 = = 2/3 и п = 3.58 указывает на трехмерную диффузию с увеличением порядка химической реакции (п = 3.51). При спекании образцов № 2 на заключительном этапе т = 1.3678 ~ 1.5 указывает на объемные диффузионные процессы с существенным увеличением порядка химической реакции (п = 11.59).
Характерной особенностью этих уравнений является то, что незначительное изменение Еа в реакционной системе приводит к существенному изменению кинетических констант и параметров т, п.
Для каждой модели приводим значения коэффициентов корреляции, фактического и критического значений критериев Фишера при уровне значимости а = 0.05. Незначительный разброс опытных и модельных расчетов носит случайный характер (для всех пред-
ставленных моделей Fфакт > ^р) поэтому данные модели могут быть использованы при моделировании физико-химических процессов спекания материалов на основе вольфрамокобальтовых сплавов. Результаты статистической проверки приведены в таблице 2.
4. Заключение
В работе представлен метод нахождения кинетических констант, определяющих поведение алмазосодержащих композитов на основе твердого сплава ВК6, изготавливаемых методом горячего прессования.
Показано, что комплексное применение известных и предложенной моделей позволяет глубже исследовать физико-химические процессы на различных стадиях спекания и выделить основные факторы, влияющие на их протекание.
Установлено, что на первой стадии спекания буровых вставок на основе алмаз - твердый сплав ВК6 имеет место вязкое течение материала и зародышеобразо-вание. В то же время начинаются процессы диффузии и химические реакции между компонентами шихты второго порядка. На заключительной стадии спекания в результате изменения структуры композита превалирует трехмерная диффузия с увеличением порядка химической реакции.
При введении в шихту добавок СгВ2 и W2B5 наблюдается резкое падение энергии активации процессов
зародышеобразования, диффузии и поверхностных химических реакций между компонентами композита.
Энергии активации диффузионных процессов и поверхностных химических реакций между компонентами, включая алмаз, вместе с кинетическими параметрами могут характеризовать структуру и свойства конечных изделий.
Статистическая достоверность опытных и модельных расчетов свидетельствует о точности и адекватности моделирования физико-химических процессов спекания сверхтвердых композиционных алмазосодержащих материалов.
Литература
1. Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Физико-химическое моделирование процессов спекания многокомпонентных алмазосодержащих композиций. 1. Математическая модель // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - № 3. - С. 71-77.
2. Новиков Н.В., Бондаренко Н.А., Жуковский А.Н., Мечник В.А. Физико-химическое моделирование процессов спекания многокомпонентных алмазосодержащих композиций. 2. Физико-химические особенности формирования структуры и свойств // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - № 3. - С. 79-87.
3. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы / Под ред. В. Шатта. - М.: Металлургия, 1983. - 591 с.
4. Шестак Я. Теория термического анализа: Физико-химические свойства твердых неорганических веществ. - М.: Мир, 1987. -455 с.
5. МаррелДж., Кеттл С., Теддер Дж. Химическая связь. - М.: Мир,
1980. - 382 с.
