НАЙБІЛЬШ ВАГОМІ НАУКОВІ РЕЗУЛЬТАТИ ІНСТИТУТУ ЗА 2021 РІК.
1. Експериментально та шляхом термодинамічних розрахунків встановлено, що при додаванні волокон SiC та Si3N4 (5–15 об %) до суміші cBN з ТаN (35–45 об %) та Al (5 об %) під час спікання за тиску 7 ГПа в діапазоні температур 1900–2000 о активується взаємодія нітриду бору зі зв’язкою, спричиняючи формування бориду танталу (TaB). При цьому помітного руйнування волокон не спостерігається, що приводить до покращення механічних характеристик композитів у порівнянні з властивостями композиту без додавання волокон.
Академік НАН України В.З. Туркевич, Ю.Ю. Румянцева, І.А. Петруша.
2. Досліджені закономірності твердофазних перетворень висококристалічних порошків графітоподібного нітриду бору (hBN) в процесах прямого конверсійного спікання (ПКС) в умовах високих тисків (до 10,5 ГПа) і температур (до 2500 °С), що завершуються формуванням високотвердого (до 80 ГПа за Віккерсом, F=20 Н) термостійкого і високотеплопровідного (до 200 Вт/(м×К)) полікристалічного матеріалу кубічного BN. В низці серед 10 вихідних порошків hBN визначено оптимальні різновиди за морфологічними показниками, що ущільнюються до густини 93 % від теоретичного значення, навіть при «холодному» пресуванні в прес-формах. При цьому в компактованому матеріалі виникає потужна текстура. Кристалоорієнтований характер наступного твердофазного перетворення hBN®cBN дозволяє забезпечити паралельність базисних площин-поліморфів, що викликає виникнення відповідної текстури в субмікрокристалічній структурі щільного cBN.
Акад. НАН України В.З. Туркевич, І. А. Петруша, О. С. Осіпов, чл.-кор. НАН України С.А. Клименко, Ю.О. Мельнійчук, акад. НАН України Т. О. Пріхна, В.Є. Мощіль; Н.М. Білявина (КНУ ім. Тараса Шевченка), чл.-кор. НАНУ О.М. Григорьєв (ІПМ ім. І.М. Францевича НАН України), О. І. Запорожець, В.А. Михайловський, М.О. Дордієнко (Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України) Dr. Antionette Can (ElementSix (UK) Limited (E6) LTD, United Kingdom.
3. Встановлено закономірності формування двохфазної структури надтвердих PCBN композитів системи cBN-Al. Шляхом керування термодинамікою і кінетикою хімічної взаємодії cBN з Al через розмір зерен вихідних порошків, тиск і температуру спікання. Визначено оптимальні умови одержання двохфазного композиту (cBN, AlN), який в порівнянні з трьохфазним (cBN, AlN, AlB2) має вищі показники твердості (30 проти 27 ГПа), термостабільності (1400 проти 1250 К), модуля Юнга (680 проти 660), ударної міцності (550 проти 400 МПа) та вищий на 35 % декремент коливань. При чистовому точінні загартованої сталі ХВГ (твердістю HRC 58-60) різцями з двохфазного композиту середня температура в зоні різання більша; а складовіPx ,Py , Pz і рівнодіюча R сили різання, параметри шорсткості Ra і хвилястості Raw менші ніж різцями з трьохфазного композиту.
М.П. Беженар, Л.М. Девін, М.Є. Стахнів, Я.М. Романенко.
4. Проведені термодинамічні розрахунки, які уточнюють діаграму стану системи Fe–Ga–N. Встановлено, що до тиску 6 ГПа в системі Ga–N зберігається газоперитектична реакція розкладу нітриду галію: 2GaN → 2GaL + N2↑. Конгруентне плавлення GaN не спостерігається. В системі Fe– N підтверджена відсутність розшарування у рідкій фазі. До 6 ГПа зберігають стабільність розчини азоту у ГЦК-залізі, γ’ та ε-фази. У потрійній системі Fe– Ga–N доведена метастабільність сполук GaFe19N5, GaFeN2, GaFe2N3, Ga2FeN3, GaFe7N2, GaFe3N, які не відображаються на рівноважній фазовій діаграмі. Підтверджена наявність на фазовій діаграмі потрійної системи Fe–Ga–N поверхні ліквідус нітриду галію, що робить можливим його кристалізацію з рідкої фази при 6 ГПа.
Акад. НАН України В.З. Туркевич, І.А. Петруша, Д.А. Стратійчук, Ю.Ю. Румянцева.
5. Проведено спрямоване стимулювання зародкоутворення з використанням сплавів-розчинників Fe-Co-Mg-C і Fe-Co-Mg-В-C, шляхом варіювання тиску та температури при кристалізації алмазних шліфпорошків. Застосування таких систем для ростових комірок шестипуансонних пресів дозволило вирощувати алмази розмірами до 3 мм типу IIa і IIb з рекордними масовими швидкостями росту до 15 мг/год при збереженні структурної досконалості таких кристалів
В.В. Лисаковський, А.В. Бурченя, О.О. Заневський, чл.-кор. НАН України С.О. Івахненко, А.П. Закора.
6. Встановлено умови утворення змішаних типів монокристалів алмазу при легуванні сплавів-розчинників на основі Fe-Co титаном і магнієм.Визначено граничні значення їх концентрацій, що складають 2,5 ÷ 3,5 ат. % для Ti (тип Ib+IIb) та 2,2 ÷ 3,5 ат. % для Mg (тип Ib+IIa). При цьому, акцептори бору, які більшістю концентруються в секторах росту октаедра в присутності незначної кількості парамагнітного азоту, перерозподіляються на фронті кристалізації граней куба і обумовлюють формування вказаних змішаних типів алмазу у відповідних секторах росту.
В.В. Лисаковський, А.В. Бурченя, О.О.Заневський, чл.-кор. НАН України С.О. Івахненко, А.П. Закора.
7. Проведено дослідження зносостійкості полікристалів, отриманих спіканням за високому тиску порошків алмазу, синтезованих в системі MgZn-C, шляхом точіння ними циліндричного керна граніту Коростишівського родовища X категорії буримості. Показано, що зразки, спечені за тиску 8 ГПа та температури 1780 оС із некласифікованого продукту синтезу, мають зносостійкість в 30 разів вищу від зносостійкості полікристалів, спечених з дрібнодисперсного порошку з розміром частинок менше 40 мкм. Введення до дрібнодисперсного порошку 40 % частинок алмазу розміром більше 80 мкм у вихідній суміші для спікання полікристалів за однакової густини і близьких значень твердості одержаних зразків збільшує їхню стійкість до зношування у 5,8 рази.
О.О. Бочечка, О.М. Ісонкін, О.І. Чернієнко, О.В. Кущ, В.С. Гаврилова.
8. Розроблено високопродуктивні і дешеві способи одержання нано- і мікропорошків металів (Fe, Al, Sn, Ti), їх оксидів та карбідів методом електроерозійного диспергування в плазмі у рідинах (воді, гасі, спирті), що відрізняються високою реакційною здатністю, на основі яких створено нові високоефективні композиційні матеріали: надпровідні, електропровідні з високою корозійною стійкістю при високих температурах, високим ступенем поглинання електромагнітного випромінювання в широкому діапазоні частот та медичного призначення, сорбенти-коагулянти для очистки стічних вод від іонів важких металів, лужних і лужноземельних металів. Розроблені дієтичні та кормові добавки на основі полівалентних нанопорошків оксидів заліза пройшли перевірку на токсикологічну та екологічну безпеку і одержали дозвіл на реалізацію.
Акад. НАН України Т.О. Пріхна, М.К. Монастирьов, В.Є. Мощіль.
9. Розроблено технологію прецизійної механічної обробки керамічних куль для гібридних підшипників. Експериментально визначено умови й режими алмазної обробки, які дозволяють виробляти керамічні кулі з В4С, розміри яких відповідають класу точності G16 з відхиленням від сферичної форми 0,2-0,3 мкм. Показано, що зносостійкість керамічних куль при сухому терті кочення впродовж 120 хв. перевищує зносостійкість сталі ШХ-15 у 1,49-2,44 рази, а в середовищі гасу ТС-1 навпаки поступається сталі у 1,75 рази. Це явище пояснюється ефектом Ребіндера розклинювання поверхневих мікротріщин в керамічних кулях та їх викришування. Визначений ефект дає підставу не рекомендувати в гібридних підшипниках гас ТС-1 у якості змащувального середовища.
Чл.-кор. НАН України А.Л. Майстренко, С.В. Сохань, О.І. Боримський, В.Г. Кулич.
10. На основі отриманих експериментальних даних і проведеного літературного аналізу встановлено, що температура баротермічної (НРНТ) обробки твердих сплавів за умов високого тиску (8 ГПа) в комірці апарату високого тиску типу «Тороїд» повинна бути в межах або нижчою температури утворення рідкої фази системи WC-Co. І.В. Андреєв, І.О. Гнатенко. Експериментальним шляхом визначено оптимальні режими НРНТ спечених твердих сплавів, за яких відбувається підвищення твердості матеріалів від 0,5 одиниць HRA (для WC-6Co ) до 2 одиниць HRA (для WC-15Co) та збільшення значення коефіцієнта інтенсивності напружень з 10,6 МПа•м1/2 до 11,8 МПа•м1/2 (для сплаву WC6Co), що може бути обумовлене незначним зменшенням параметру «с» кристалічної гратки карбіду WC.
І.В. Андреєв, І.О. Гнатенко, Т.О. Косенчук, О.С. Осіпов.
11. Встановлено оптимальну концентрацію дибориду хрому (4 %) в алмазовмісних композитах на основі матриці WC‒Co, спечених методом електричного плазмо-іскрового спікання при двухстадійному режимі з температурами Т1 = 1300 °С і Т2 = 1400 °С, при яких досягаються найбільш високі показники фізико-механічних властивостей композитів (КIc = 15,4 МПа ∙ м1/2 , Н = 14,3 МПа, Rbm = 2950 МПа і Rcm = 5780 МПа). Це відбувається внаслідок дисперсійного механізму зміцнення і модифікації структури (зменшення середнього розміру зерна карбідної фази з 5,6 до 3,4 мкм, зникнення пор на місці зв’язуючої фази Co, утворення кластерів фази інгібітора на міжфазних границях) та фазового складу композитів.
М.О. Бондаренко, В.А. Мечник, В.М. Колодніцький.
12. Встановлено, що додавання необхідної кількості нанопорошку нітриду ванадію (VN) до складу алмазовмісних композитів на основі матриці Fe‒Cu‒Ni‒Sn, сформованих методом електричного плазмо - іскрового спікання при температурі 1000 °С і тиску 30 МПа протягом 3 хв, приводить до істотного підвищення механічних показників: границі міцності під час згинання (з 790 до 1110 МПа) і границі міцності під час стиску (з 816 до 1410 МПа).Це пояснюється формуванням більш дрібнозернистої однорідної структури, яка складається з твердого розчину ванадію в α-залізі і суміші фаз Fe, Cu, Ni, Sn, первинних і вторинних дисперсних фаз нітриду ванадію. Крім того, отримання композитів вказаної системи з високими показниками робочих характеристик забезпечує істотну економічну вигоду не тільки за рахунок зниження енергоспоживання в процесі спікання, а й за рахунок різкого зниження вартості композитів.
В.А. Мечник, М.О. Бондаренко, В.М. Колодніцький.
13. Отримано наноструктурне багатошарове покриття системи TiN/CrC на поверхнях інструментів з ПКНБ із періодом чергуванням шарів 40 нм, яке має мікротвердість 41–50 ГПа в залежності від тиску робочих газів, що досягається за рахунок наявності наноструктурної карбідної фази, встановлені оптимальні умови нанесення покриттів та проведено їх трибологічні дослідження, які показали, що з метою підвищення адгезійної міцності, фізико-механічних і експлуатаційних властивостей покриття доцільно застосовувати попереднє азотування в газовому розряді і наносити підшар хрому товщиною 1 нм на поверхні пластин із ПКНБ, тиск азоту при нанесенні покриттів типу TiN/CrC становить p = 3·10-3 Торр, а потенціал зсуву на підкладці Uз = (–150)–(–200) В.
Чл.-кор. НАН України С.А. Клименко, А.С. Манохін, С.Ан. Клименко; В.О. Столбовой (ХФТІ НАН України)).
14. Встановлено, що підвищення швидкості різання до 150 м/хв при використанні інструменту з полікристалічного кубічного нітриду бору (ПКНБ) групи BH, викликає підвищення інтенсивності зношування – з 5 до 11,6 мкм/хв., той же час для інструменту з термостійким покриттям з містом нітридів хрому та алюмінію дана характеристика змінюється з 4 до 6 мкм/хв. Ефективність покриття залежить від його хімічного складу – так в плівках, які містять Mo2N окислення починається вже при температурах 350–400 °С і для таких покриттів рекомендований діапазон швидкостей різання складає 90–120 м/хв, при цьому інтенсивність зношування на 30% нижча у порівнянні зі стандартним інструментом.
Ю.А. Мельнійчук, С.Ан. Клименко.
15. Встановлено, що свердління вуглепластиків та склопластиків свердлами, оснащеними АТП, дозволяє досягти в 8 разів вищу стійкість інструменту в порівнянні з твердосплавними свердлами, причому, зношування алмазних свердел відбувається рівномірно по задній та передній поверхнях, а твердосплавних свердел значно інтенсивніше по задній поверхні, що веде до збільшення зони контакту задньої та оброблюваної поверхонь, і як результат до підвищення дефектності отворів.
А.І. Гречук (Лундский ун-т, Швеція), Л.М. Девін.
16. В результаті вивчення напружено-деформованого стану леза інструменту встановлено, що в умовах, коли товщина зрізу досягає максимального значення 0,15 мм, що відповідає величині подачі 1,9 мм/об, еквівалентні напруження за Писаренко-Лебедєвим в небезпечних зонах, які розташовані зі сторони передньої поверхні інструменту, складають 725 МПа та менші за критерій руйнування – межа міцності на розтяг Rm = 800 МПа. Це свідчить про можливість реалізації обробки загартованих сталей інструментом, оснащеним полікристалічним надтвердим матеріалом на основі кубічного нітриду бору – борсиніт.
А.С. Манохін, Ю.А. Мельнійчук, С.Ан. Клименко.
17. Створено наукові основи та науково обґрунтовані практичні рекомендації для вирішення актуальної науково-технічної задачі проєктування технологічних операцій деформуючого протягування (ДП) для формування складнопрофільної поверхні отвору у деталях зі сталі 38Х3МФА й забезпечення заданої живучості готового виробу. Технологічні режими операції ДП при формоутворенні пазів на внутрішній поверхні трубчастих виробів повинні призначатися з урахуванням факторів, які впливають на отримання пазу згідно вимогам. Доведено експериментально, що ефективність технології ДП визначають відсутність схоплювання оброблюваного матеріалу з протяжним інструментом, уникнення мікротріщин на ділянках сформованого пазу й забезпечення точність отвору. Причиною виникнення схоплювання й утворення мікротріщин є великі пластичні деформації в кутах пазу та вичерпання внаслідок цього ресурсу пластичності оброблюваного металу через втрату суцільності технологічним мастилом, що розділяє контактуючі поверхні.
С.Є. Шейкін, С.Ф.Студенець.
18. Вирішено актуальну науково-технічну задачу підвищення ефективності процесів алмазної обробки керамічних куль великого діаметру. Встановлено основні закономірності алмазно-абразивної обробки керамічних куль. Для процесу алмазного нецентрового шліфування торцем круга керамічних куль експериментально визначено значення співвідношення усередненої у часі подачі круга на врізання до швидкості обертання стола з кулями, які є різними для трьох діапазонів змінювання відхилення від сферичної форми куль, а саме: вище за 300 мкм, між 300 і 150 мкм й нижче за 150 мкм. З умови виправлення відхилення від сферичності поверхні куль у двох останніх діапазонах співвідношення має бути в межах 0,1…0,3 мкм/об за умови обертання стола з кулями зі швидкістю 20…35 об/хв, у першому, де перевагу слід віддавати продуктивності процесу – в 2-2,5 рази вищим.
С.В Сохань, В.Г. Сороченко, В.В. Возний.
19. Встановлено експериментально, що лімітуючим параметром досягнення точності обробки зуба зубчастого колеса є розмірний знос тарілчастого круга з КНБ, який є пропорційним кількості оброблених зубів без правки і визначає точність обробки зуба зубчастого колеса. Після прискореного зношування круга протягом першого проходу величина його надалі стабілізується і мало зростає з часом шліфування. При чорновому шліфуванні після першого проходу на ріжучій кромці круга формується ділянка зношування розміром h = 30-50 мкм. Аналогічний результат отримано при фінішному шліфуванні зубчастих коліс – на ріжучій кромці круга формується ділянка зношування набагато меншого розміру (до h = 30 мкм). Отриманий результат підтверджує запропоновану гіпотезу про зношування тарілчастого круга з КНБ при шліфуванні зубчастих коліс у вигляді формування ділянки зношування на ріжучій кромці круга.
А.В. Кривошея, С.В. Рябченко.
20. Синтезовані полімери на основі комплексних сполук аміновмісних олігогідроксифениленів з міддю. Показано, що в процесі термообробки таких полімерів в неокислювальних середовищах відбувається часткова деструкція комплексів з утворенням організованих систем квантових точок за принципом висхідної дифузії. Методом малокутового рентгенівського розсіювання показано, що такі організовані системи утворені наночастинкою діаметром 10–30 нм, оточеною атмосферою частинок того ж складу діаметром 0,5–2 нм. Досліджені люмінесцентні властивості синтезованих полімерів та виявлено, що вони здатні до ап-конверсійної люмінесценції з вузьким спектром, який може регулюватись шляхом зміни складу та умов полімеризації.
Є.О. Пащенко, Д.О. Савченко, С.А. Кухаренко, А.М. Черненко, С.В. Скороход.
