Politechnika warszawska

Układ Ni-Al

Na rys. 1 pokazany jest układ równowagi Ni-Al w, którym występuje pię

faz międzymetalicznych. Są to (w kolejności zgodnej ze wzrostem zawartości aluminium): γ’-Ni₃Al, Ni₅Al₃, β-NiAl, Ni₂Al₃, NiAl₃. W aspekcie zastosowań inżynierskich nie są brane pod uwagę wysokoaluminiowe fazy Ni₂Al₃ oraz NiAl₃, które wykazują się niską stabilnością termiczną (do 700°C) oraz faza Ni₅Al₃ cechująca się skrajną kruchością.

W związku z tym od początku prowadzenia prac zajmujących się problematyką stopów na osnowie faz międzymetalicznych najważniejsze ośrodki badawcze prowadzą prace głównie w zakresie wykorzystania faz Ni₃Al oraz NiAl [25].



Rys. 1. Układ równowagi Ni-Al [26]

3. Właściwości NiAl oraz Ni₃Al

Faza międzymetaliczna NiAl krystalizuje z cieczy pod postacią wtórnego roztworu stałego β. NiAl krystalizuje w sieci A2 (RPC) i wykazuje uporządkowanie B2 (na każdą komórkę przypadają 2 atomy – 1 atom niklu z narożników, 1 atom aluminium
z geometrycznego środka komórki). Roztwór wtórny β jest trwały w przedziale aluminium 41-55% at. w temperaturze pokojowej.



Rys. 2. Komórka elementarna B2 dla NiAl

NiAl cechuje się małą odpornością na pękanie w temperaturze pokojowej oraz małą wytrzymałością doraźną i odpornością na pełzanie w podwyższonej temperaturze przez co ograniczone są możliwości jego wykorzystania konstrukcyjnego. Twardość spiekanego NiAl z udziałem reakcji SHS wynosi około 400 HV [27-29]. Kruchość stopów Ni-Al o zawartości powyżej 41% at. aluminium związana jest uporządkowaniem atomów B2, które nie spełnia kryterium wystarczającej liczby systemów łatwego poślizgu. Faza NiAl cechuje się również małą odpornością na pękanie łupliwe oraz pękaniem kruchym po granicach ziaren. Właściwości fazy NiAl mogą być kontrolowane przez zmianę stopnia odchylenia zawartości aluminium od składu stechiometrycznego, a także rodzajem i ilością wprowadzonych dodatków stopowych [30].

Faza międzymetaliczna Ni₃Al (γ’) powstaje podczas krystalizacji jako efekt reakcji perytektycznej pierwotnie wydzielonych kryształów NiAl (β) i roztworu ciekłego
w temperaturze 1396°C (ciecz + β-NiAl ↔ γ’-Ni₃Al). Ni₃Al krystalizuje w sieci A1 (RSC) i wykazuje uporządkowanie L1₂ (na każdą komórkę elementarną przypadają 4 atomy – 1 atom aluminium z narożników, 3 atomy niklu centrujące ściany komórki). Roztwór wtórny γ’ na bazie fazy Ni₃Al jest trwały przedziale aluminium 24-27% at.
w temperaturze pokojowej.



Rys. 3. Komórka elementarna L1₂ dla Ni₃Al

Nietypową cechą fazy Ni₃Al oraz stopów na jej osnowie jest anormalna relacja między granicą plastyczności a temperaturą. Granica plastyczności Ni₃Al

w przeciwieństwie do konwencjonalnych stopów metalowych rośnie wraz ze wzrostem temperatury do 900°C [31]. Jest to bardzo korzystne zjawisko z punktu widzenia wykorzystania na osnowę materiału narzędziowego, ponieważ poprawia właściwości retencyjne osnowy podczas wzrostu temperatury w trakcie pracy narzędzia [20]. Twardość spiekanego Ni₃Al z udziałem reakcji SHS kształtuje się na poziomie
300-400 HV [32-33]. Ponadto wykazano poprawę właściwości mechanicznych Ni₃Al przy zmniejszeniu zawartości Al w stosunku do składu stechiometrycznego [34]. Ni₃Al mimo atrakcyjnych właściwości mechanicznych i wysokiej odporności na utlenianie
w podwyższonych temperaturach wciąż nie jest powszechnie stosowane w aplikacjach przemysłowych ze względu na wysoką kruchość, której poprawę stara się uzyskać poprzez dodatek boru i ceru [35-36].

3. DIAMENT

   1. Właściwości diamentu

Diament jest najtwardszym i najbardziej odpornym na ścieranie minerałem przez co nie ma konkurenta, który mógłby go zastąpić w roli wypełnienia kompozytów przeznaczonych na narzędzia skrawające. Diament jest alotropową odmianą węgla, która pod ciśnieniem atmosferycznym jest fazą termodynamicznie metastabilną
w każdej temperaturze. Krystalizuje w układzie regularnym, a jego komórka elementarna posiada osiem atomów węgla. Swoją twardość zawdzięcza silnie powiązanej trójwymiarowej strukturze powstającej przez atomy węgla o czterech elektronach walencyjnych, które znajdują się w jego sieci i tworzą cztery wiązania atomowe z czterema sąsiadującymi atomami węgla [37]. Diament może być naturalny lub syntetyczny otrzymany z grafitu, żywic fenolowych, węglowodorów lub fulerenów. W zależności od użytych prekursorów węgla i katalizatorów podczas produkcji diamentu następuje zmiana warunków syntezy (rys. 4.) oraz właściwości otrzymanego diamentu. W obszarze A₁, A₂ i A₃ prowadzi się syntezę proszków diamentowych gdzie jako katalizatory stosuje się stopy metali (żelazo-nikiel, kobalt-żelazo, nikiel-magnez),
a powyżej tych obszarów zachodzi przemiana grafitu pochodzącego ze związków nieorganicznych w diament. Obszary N odpowiadają geologicznej koncepcji powstawania diamentu naturalnego, a B krystalizacji diamentu z prekursorów żywicznych.


Rys. 4. Układ równowagi fazowej ciśnienie-temperatura węgla [2]

Diament nie wchodzi reakcje chemiczne z takimi metalami jak: Al, Cu Zn. Reaguje natomiast w wysokiej temperaturze z metalami wykazującymi dużą rozpuszczalność węgla (żelazo, nikiel i kobalt) oraz z metalami węglikotwórczymi jak: Ti, Zr, Ta i W. Poza wymienionymi metalami diament jest obojętny w stosunku do tworzyw sztucznych, szkła i ceramiki. Diament jest również wrażliwy na utlenianie w temperaturze powyżej 700°C.

2.