Wpływ wielkości cząstek diamentu na strukturę i właściwości kompozytów Ni3Al–diament wytwarzanych metodą impulsowo-plazmową

• Autorzy: Cymerman K. , Michalski A. , Kulikowski K.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2015.6.32

Warianty tytułu

EN

Influence of the particle size of diamond powder on microstructure and properties of Ni3Al–diamond composites produced by pulsed plasma sintering

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Obecnie trwają prace nad zastąpieniem osnowy z drogiego i rakotwórczego kobaltu w kompozytach metal–diament materiałem na bazie faz międzymetalicznych z układu Ni–Al. W pracy przedstawiono wpływ wielkości cząstek diamentu na właściwości kompozytów Ni3Al–diament otrzymanych metodą impulsowo- plazmową (PPS) z udziałem reakcji SHS (Self-propagating Hight-temperature Synthesis). Do mieszaniny proszków Ni:Al w proporcji 3:1 dodano 30% obj. proszku diamentu o rozmiarze cząstek 16÷20 oraz 40÷60 μm. Następnie próbki spiekano w temperaturze 900°C przez 5 minut pod ciśnieniem prasowania 100 MPa. Otrzymane spieki wykazują gęstość względną powyżej 98% i charakteryzują się drobnokrystaliczną strukturą z równomiernie rozmieszczonymi cząstkami diamentu, co potwierdzają obserwacje powierzchni zgładów i przełomów za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Charakter przełomów jest kruchy, a mechanizm pękania międzykrystaliczny. Kompozyty Ni3Al–diament poddano także badaniu rentgenowskiej analizy fazowej, która poza fazą Ni3Al i diamentem wykazała obecność fazy Ni3C, bez względu na wielkość zastosowanego diamentu. Twardość Vickersa wynosiła 578±9 HV5 dla spieku Ni3Al–diament 16÷20 μm oraz 606±2 HV5 dla spieku Ni3Al–diament 40÷60 μm. Spieki Ni3Al–diament poddano badaniom odporności na zużycie przez tarcie metodą kula–tarcza. Zużycie kompozytów diamentowych jest znikome i praktycznie niemierzalne. Spiek z diamentem o cząstkach 40÷60 μm charakteryzował się mniejszym współczynnikiem tarcia niż spiek Ni3Al–diament 16÷20 μm. Podsumowując, wielkość cząstek diamentu zastosowanego w kompozytach Ni3Al–diament nie wpływa na mikrostrukturę. Zauważalnie zwiększają się właściwości mechaniczne (twardość, odporność na ścieranie) z zastosowaniem diamentu o większych cząstkach 40÷60 μm.

EN

There is an increasing number of research studies with aim to eliminate carcinogenic and expensive cobalt from metal–diamond composites and replace it by Ni–Al intermetallic phases. This study presents the influence of diamond particle size on the properties of Ni3Al–diamond composites sintered by Pulsed Plasma Sintering (PPS) with the participation of SHS reaction (Self-propagating High-temperature Synthesis). Ni3Al–diamond sinters were produced using Ni:Al (3:1 at.) powder mixtures with addition of 30% vol. of diamond with grain size ranging from 16 to 60 μm. The sintering process was performed at 900°C in 5 minutes under load 100 MPa. Obtained sinters have above 98% theoretical density and shows fine crystalline microstructure with relatively uniformed diamond particles, what can be observed on SEM images of polished surface and fracture. The fractures are brittle and have the intergranular character. The X-ray phase examinations have shown that each sinters contains Ni3Al, diamond and Ni3C. Hardness of the sinters was tested by the Vickers method and was 578±9 HV5 for Ni3Al–diamond 16÷20 μm sinter and 606±2 HV5 for Ni3Al–diamond 40÷60 μm. Wear resistance of Ni3Al–diamond sinters, tested by ball-on-disc method, showed that wear ratio is non-measurable and Ni3Al–diamond 40÷60 μm sinter has much lower friction factor than Ni3Al–diamond 16÷20 μm. Presented research has shown no influence of diamond particle size used in Ni3Al–diamond sinters on structural properties, however an increase of mechanical properties in composite with diamond 40÷60 μm can be noticed.

Słowa kluczowe

PL

Ni3Al; diament; kompozyt; spiekanie impulsowo-plazmowe (PPS); PPS

EN

Ni3Al; diamond; composite; pulse plasma sintering (PPS); PPS

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 36, nr 6
• Strony: 506--510
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Cymerman K.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

autor

Michalski A.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

autor

Kulikowski K.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska

Bibliografia

• [1] Webb S. W.: Diamond retention in sintered cobalt bonds for stone cutting and drilling. Diamond Related Mater. 8 (1999) 2043÷2052.
• [2] Konstanty J.: The materials science of stone sawing. Ind. Diamond Rev. 1 (1999) 27÷31.
• [3] Lison D.: Human toxicity of cobalt containing dust and experimental studies on the mechanism of interstitial lung disease (hard metal disease). Crit. Rev. Toxic. 26 (1996) 585÷616.
• [4] Ylikerälä J., Gasik M.: Cobalt price hikes set search for alternates in train. Met. Powder Rep. 59 (2004) 36÷39.
• [5] Shackelford F., William A.: Materials science and engineering handbook. CRC Press (2001).
• [6] Morsi K.: Reaction synthesis processing of Ni–Al intermetallic materials. Materials Scence and Engineering A299 (2001)1÷15.
• [7] Moshksar M. M., Doty H., Abbaschian R.: Grain growth in AlNi–Al2O3 in situ composites. Intermetallics 5 (1997) 393÷399.
• [8] Hawk J. A., Alman D. E.: Abrasive wear behaviour of NiAl and NiAl–TiB composites. Wear 225-229 (1999) 544÷556.
• [9] Matsuura K., Kudoh M.: Grain refinement of combustion-synthesized NiAl by addition of ceramic particles. Mater. Sci. Eng. A 239-240 (1997) 625÷632.
• [10] Hwang K. S., Yang T. H., HU S. C.: Diamond cutting tools with a Ni3Al matrix processed by reaction pseudo-hipping. Metalurgical and Materials Transactions A 36 (2005) 2801÷2806.
• [11] Zhang F. L., Yang Z. F., Zhou Y. M., Wang C. Y., Huang H. P.: Fabrication of grinding tool material by SHS of Ni-Al/diamond/dilute. Inter. J. Refractory Met. Hard Mater. 28 (2010) 416÷423.
• [12] Zhou Y. M., Zhang F. L., Wang C. Y.: Effect of Ni–Al SHS reaction on diamond grit for fabrication of diamond tool material. Int. Journal of Refr. Met. Hard Mater. 29 (2010) 416÷423.
• [13] Klimczyk P.: Badania tribologiczne ceramiki narzędziowej metodą Ballon- Disc. Mechanik 11 (2012) 953÷956.