Образование фаз в системе B—BN—B₂O₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди

В аппарате высокого давления типа «тороид» из исходных β-ромбоэдрического или аморфного бора, гексагонального графитоподобного нитрида бора hBN и аморфного оксида бора B₂O₃ при давлении 8ГПа и температурах 2100—2900К получены многофазные материалы, включающие субнитрид бора В₆N, субоксид бора В₆О и...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2008
Hauptverfasser:	Туркевич, В.З., Петруша, И.А., Туркевич, Д.В., Дуб, С.Н., Белявина, Н.Н., Фраге, Н., Фрумина, Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України 2008
Schriftenreihe:	Сверхтвердые материалы
Schlagworte:	Получение, структура, свойства
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20673
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Образование фаз в системе B—BN—B₂O₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди / В.З. Туркевич, И.А. Петруша, Д.В. Туркевич, С.Н. Дуб, Н.Н. Белявина, Н. Фраге, Н. Фрумина // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 1. — С. 23-30. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20673
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-206732025-02-09T13:52:34Z Образование фаз в системе B—BN—B₂O₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди Phase formation in the B–BN–B₂O₃ system at high pressures and temperatures: The wettability of the phases with copper-based melts. Туркевич, В.З. Петруша, И.А. Туркевич, Д.В. Дуб, С.Н. Белявина, Н.Н. Фраге, Н. Фрумина, Н. Получение, структура, свойства В аппарате высокого давления типа «тороид» из исходных β-ромбоэдрического или аморфного бора, гексагонального графитоподобного нитрида бора hBN и аморфного оксида бора B₂O₃ при давлении 8ГПа и температурах 2100—2900К получены многофазные материалы, включающие субнитрид бора В₆N, субоксид бора В₆О и кубический нитрид бора сBN; измерена их твердость. Образование тройных фаз в системе B—BN—B₂O₃ не наблюдали. Изучена смачиваемость полученных материалов расплавами на основе меди. Установлено, что введение 10 ‰ (мол.) Ti в расплав меди снижает контактный угол до величины менее 20 град. Multiphase materials, including the B₆N boron subnitride, B₆O boron suboxide, and cBN cubic boron nitride, have been obtained from the initial β-rhombohedral or amorphous boron, hBN hexagonal graphite-like boron nitride and B₂O₃ amorphous boron oxide at a pressure of 8 GPa and temperatures from 2100 to 2900 K in a toroid high-pressure apparatus. The hardness of the resulting materials has been measured. The formation of ternary phases in the B-BN-B₂O₃ system has not been observed. The wettability of the resultant materials with copper-based melts has been studied. An addition of 10 mol % Ti to the copper melt has been found to decrease the contact angle to a value lower than 20 deg. Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках совместной украино-израильской программы исследовательских проектов. 2008 Article Образование фаз в системе B—BN—B₂O₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди / В.З. Туркевич, И.А. Петруша, Д.В. Туркевич, С.Н. Дуб, Н.Н. Белявина, Н. Фраге, Н. Фрумина // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 1. — С. 23-30. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20673 541.1:661.657 ru Сверхтвердые материалы application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Получение, структура, свойства Получение, структура, свойства
spellingShingle	Получение, структура, свойства Получение, структура, свойства Туркевич, В.З. Петруша, И.А. Туркевич, Д.В. Дуб, С.Н. Белявина, Н.Н. Фраге, Н. Фрумина, Н. Образование фаз в системе B—BN—B₂O₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди Сверхтвердые материалы
description	В аппарате высокого давления типа «тороид» из исходных β-ромбоэдрического или аморфного бора, гексагонального графитоподобного нитрида бора hBN и аморфного оксида бора B₂O₃ при давлении 8ГПа и температурах 2100—2900К получены многофазные материалы, включающие субнитрид бора В₆N, субоксид бора В₆О и кубический нитрид бора сBN; измерена их твердость. Образование тройных фаз в системе B—BN—B₂O₃ не наблюдали. Изучена смачиваемость полученных материалов расплавами на основе меди. Установлено, что введение 10 ‰ (мол.) Ti в расплав меди снижает контактный угол до величины менее 20 град.
format	Article
author	Туркевич, В.З. Петруша, И.А. Туркевич, Д.В. Дуб, С.Н. Белявина, Н.Н. Фраге, Н. Фрумина, Н.
author_facet	Туркевич, В.З. Петруша, И.А. Туркевич, Д.В. Дуб, С.Н. Белявина, Н.Н. Фраге, Н. Фрумина, Н.
author_sort	Туркевич, В.З.
title	Образование фаз в системе B—BN—B₂O₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди
title_short	Образование фаз в системе B—BN—B₂O₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди
title_full	Образование фаз в системе B—BN—B₂O₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди
title_fullStr	Образование фаз в системе B—BN—B₂O₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди
title_full_unstemmed	Образование фаз в системе B—BN—B₂O₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди
title_sort	образование фаз в системе b—bn—b₂o₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди
publisher	Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Получение, структура, свойства
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20673
citation_txt	Образование фаз в системе B—BN—B₂O₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди / В.З. Туркевич, И.А. Петруша, Д.В. Туркевич, С.Н. Дуб, Н.Н. Белявина, Н. Фраге, Н. Фрумина // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 1. — С. 23-30. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Сверхтвердые материалы
work_keys_str_mv	AT turkevičvz obrazovaniefazvsistemebbnb2o3privysokihdavleniâhitemperaturahihsmačivaemostʹrasplavaminaosnovemedi AT petrušaia obrazovaniefazvsistemebbnb2o3privysokihdavleniâhitemperaturahihsmačivaemostʹrasplavaminaosnovemedi AT turkevičdv obrazovaniefazvsistemebbnb2o3privysokihdavleniâhitemperaturahihsmačivaemostʹrasplavaminaosnovemedi AT dubsn obrazovaniefazvsistemebbnb2o3privysokihdavleniâhitemperaturahihsmačivaemostʹrasplavaminaosnovemedi AT belâvinann obrazovaniefazvsistemebbnb2o3privysokihdavleniâhitemperaturahihsmačivaemostʹrasplavaminaosnovemedi AT fragen obrazovaniefazvsistemebbnb2o3privysokihdavleniâhitemperaturahihsmačivaemostʹrasplavaminaosnovemedi AT fruminan obrazovaniefazvsistemebbnb2o3privysokihdavleniâhitemperaturahihsmačivaemostʹrasplavaminaosnovemedi AT turkevičvz phaseformationinthebbnb2o3systemathighpressuresandtemperaturesthewettabilityofthephaseswithcopperbasedmelts AT petrušaia phaseformationinthebbnb2o3systemathighpressuresandtemperaturesthewettabilityofthephaseswithcopperbasedmelts AT turkevičdv phaseformationinthebbnb2o3systemathighpressuresandtemperaturesthewettabilityofthephaseswithcopperbasedmelts AT dubsn phaseformationinthebbnb2o3systemathighpressuresandtemperaturesthewettabilityofthephaseswithcopperbasedmelts AT belâvinann phaseformationinthebbnb2o3systemathighpressuresandtemperaturesthewettabilityofthephaseswithcopperbasedmelts AT fragen phaseformationinthebbnb2o3systemathighpressuresandtemperaturesthewettabilityofthephaseswithcopperbasedmelts AT fruminan phaseformationinthebbnb2o3systemathighpressuresandtemperaturesthewettabilityofthephaseswithcopperbasedmelts
first_indexed	2025-11-26T13:46:44Z
last_indexed	2025-11-26T13:46:44Z
_version_	1849860877954580480
fulltext	ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 1 23 УДК 541.1:661.657 В. З. Туркевич, И. А. Петруша, Д. В. Туркевич, С. Н. Дуб, Н. Н. Белявина (г. Киев) Н. Фраге, Н. Фрумина (г. Бер-Шева, Израиль) Образование фаз в системе B—BN—B2O3 при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди В аппарате высокого давления типа “тороид” из исходных β- ромбоэдрического или аморфного бора, гексагонального графитоподобного нит- рида бора hBN и аморфного оксида бора B2O3 при давлении 8 ГПа и температу- рах 2100—2900 К получены многофазные материалы, включающие субнитрид бора В6N, субоксид бора В6О и кубический нитрид бора сBN; измерена их твер- дость. Образование тройных фаз в системе B—BN—B2O3 не наблюдали. Изучена смачиваемость полученных материалов расплавами на основе меди. Установле- но, что введение 10 % (мол.) Ti в расплав меди снижает контактный угол до величины менее 20 град. Ключеые слова: субоксид бора, субнитрид бора, высокие давле- ния и температуры, синтез, смачивание. Введение. Соединения бора характеризуются короткой кова- лентной связью, имеют уникальные кристаллографические и физико- химические свойства, высокую твердость. Они стали основой для создания ряда тугоплавких и сверхтвердых материалов, наиболее распространенными из которых являются кубический нитрид бора сBN и карбид бора B4C [1]. Указанные особенности присущи еще двум соединениям бора — субоксиду В6О и субнитриду B6N, которые получают в результате химической реакции бора с оксидом бора В2О3 и нитридом бора BN соответственно. Краткий ана- лиз литературных источников, содержащих информацию о методах получе- ния В6О и B6N и их свойствах, опубликован в [2—4]. В этих работах по- строены диаграммы состояния двойных систем B—B2O3 и B—BN при высо- ких давлениях. Взаимодействие субоксида бора В6О с гексагональным графитоподобным нитридом бора hBN при высоком давлении изучено в [5]. Установлено, что при температурах выше 2300 К hBN сильно текстурируется, а В6О распадает- ся с образованием черной стеклоподобной фазы с твердостью 37,3 ГПа, кото- рая содержит включения с твердостью 48,9 ГПа. В [6] описаны результаты экспериментов по горячему прессованию В6О с добавками алюминия при 2170 К и 50 МПа. Показано, что образующийся в этом случае на границах зерен В6О оксид алюминия Al2O3 препятствует об- разованию В2О3 и приводит к шестикратному увеличению трещиностойкости поликристаллического материала, которая достигает ~ 3,5 МПа⋅м1/2. Высокотемпературное смачивание в различных системах керамика— металл детально обсуждено в работах Найдича [7—9]. Существует неболь- © В. З. ТУРКЕВИЧ, И. А. ПЕТРУША, Д. В. ТУРКЕВИЧ, С. Н. ДУБ, Н. Н. БЕЛЯВИНА, Н. ФРАГЕ, Н. ФРУМИНА, 2008 www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 24 шое количество исследований, посвященных смачиванию BN жидкими ме- таллами. По способности вступать во взаимодействие с нитридом бора ме- таллы могут быть разделены на две группы: реакционноспособные металлы (Ti, Al, Fe, Ni) которые могут реагировать с нитридом бора и образовывать новые нитриды и бориды, и нереакционноспособные (Сu, Ag, Au, Sn), взаи- модействие с нитридом бора которых сводится к ограниченной растворимо- сти или разложению последнего без образования новых фаз. Как показано в [7] угол смачивания нитрида бора нереакционноспособными металлами со- ставляет 135—150 град. Известно, что смачивание бескислородной керамики нереакционноспособными металлами может быть существенно улучшено добавлением активного компонента. Введение Ti в расплав меди или сплав Ag—Cu позволяет существенно снизить их контактный угол с поверхностью BN при 1150 °С [10]. Улучшение смачиваемости в системах BN/Me—Ti было объяснено образованием слоев микронной толщины, обогащенных титаном, однако тип соединений с Ti идентифицирован не был. Помимо факторов, указанных выше, на смачиваемость BN существенное влияние может оказать процесс окисления, приводящий к образованию на поверхности нитрида бора слоев оксидов и оксинитридов [11]. В настоящей работе исследовано взаимодействие бора и оксида бора В2О3 с hBN при давлении 8 ГПа в диапазоне температур 2100—2900 К. Изучено смачивание поликристаллических материалов, образовавшихся в результате взаимодействия, расплавами меди и медно-титанового сплава. Исходные материалы. В качестве исходных веществ были использованы: высокочистый кристаллический β-ромбоэдрический бор (общее количество примесей — менее 0,2 %∗, полученный в Институте проблем материаловеде- ния им. И. Н. Францевича НАН Украины дуговым переплавом аморфного бора в атмосфере аргона и измельченный в твердосплавной ступке до разме- ра частиц менее 50 мкм; аморфный бор, содержащий до 3,5 % кислорода в состоянии поставки; гексагональный графитоподобный нитрид бора (97,8 % основной фазы) производства ООО ЗАК, измельченный перед использовани- ем в планетарной мельнице в течение 3 мин; порошок В2О3 в состоянии по- ставки, из которого для приготовления смесей была выделена фракция час- тиц менее 50 мкм. Смешивание реакционных компонентов выполняли сухим способом пу- тем трехкратного пропускания смеси через сито с размером ячеек 80×80 мкм. Полидисперсный β-ромбоэдрический бор использовали для приготовления реакционных смесей с порошками hBN и B2O3 (табл. 1, составы 1, 3 и 4). Аморфный бор использовали только в комбинации с hBN (состав 2). Таблица 1. Составы исходных реакционных смесей Содержание компонентов в смеси, % мол./мас. Состав В hВN В2О3 Предполагаемая реакция 1 83,3/68,6 16,7/31,4 — 5B + BN = B6N 2 83,3/68,8 16,7/31,2 — 5B(O0,024) + BN = B6O0,024N 3 94,1/71,3 — 5,9/28,7 16B + B2O3 = 3B6O 4 76,5/49,3 17,6/26,2 5,9/24,5 13B + 3BN + B2O3 = 3B6(O, N) ∗ Состав исходных веществ дан в % (по массе). ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 1 25 Методики исследований. Эксперименты при высоких давлениях выпол- нены с использованием аппарата типа “тороид” с диаметром центрального углубления 30 мм. Давление в ячейке с образцом измеряли при комнатной температуре по фазовым превращениям в реперных материалах Bi и PbSe. Температуру в диапазоне 300—2270 К определяли по ранее установленной зависимости между мощностью тока в электрической цепи нагревателя и термо-э.д.с. термопары Pt—6 % Rh/Pt—30 % Rh. В экспериментах с более высокими температурами использовали экстраполяцию полученной зависи- мости. Из-за большого насыпного объема подготовленных реакционных смесей их предварительно компактировали давлением 4 т/см2 в стальной пресс- форме. Из полученных компактов готовили пресс-порошок (сухое гранули- рование) с размером частиц менее 0,5 мм. Полученный пресс-порошок по- вторно прессовали при давлении 5,4 т/см2, чтобы получить образец в виде таблетки диаметром 12 мм и высотой 6 мм. После такого двухэтапного прес- сования плотности полученных таблеток достигали примерно 80 % от макси- мальных (расчетных) значений плотности, соответствующих беспористым материалам аналогичных составов (табл. 2). Расчет выполнен, исходя из сле- дующих значений плотности исходных компонентов смеси: Bкр — 2,34, Вам — 1,73, hBN — 2,28 и B2O3 — 1,84 г/см3. Отметим, что плотность компактно- го образца, полученного прессованием смеси без ее предварительного грану- лирования (смесь 3, табл. 2) оказывается примерно на 13 % ниже уровня, достигаемого при двухэтапном прессовании. Таблица 2. Плотность исходных компактных образцов, применяемых в экспериментах Плотность образца Состав* абсолютная, г/см3 относительная, % 1 1,83 78,8 2 1,44 76,9 3 1,66 76,4 4 1,83 83,8 * См. табл.1 Подготовленные таким образом компактные образцы помещали в капсулы из спрессованного hBN с толщиной стенки 1 мм, что позволяло исключить возможное химическое взаимодействие компонентов реакционной смеси с графитовым нагревателем при высоких температурах. Капсулу с образцом размещали в центральной части специальной высокотемпературной ячейки высокого давления типа [12], применение которой позволяет создавать в об- разце почти безградиентное тепловое поле. После создания давления 8 ГПа образец нагревали до требуемой температуры из диапазона 2100—2900 К, равномерно поднимая мощность до необходимого уровня в течение 5 с. Дли- тельность высокотемпературного воздействия составляла 30 с, после чего в течение 5 с снижали мощность, размыкали электрическую цепь нагревателя и снимали давление. После термобарического воздействия образец извлекали из ячейки вместе с окружающей его капсулой из нитрида бора, которая легко отделялась от графитового нагревателя. Чтобы вскрыть капсулу, окружающую образец, и углубиться в объем образца его сошлифовывали со стороны плоской части www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 26 свободным алмазным абразивом на чугунном диске и далее полировали по- лученную поверхность. Рентгеновскую съемку образцов в медном излучении с длиной волны λCuKα = 1,54 Å осуществляли от плоскости аншлифа на дифрактометре ДРОН- 3. Состав фаз и их содержание в полученных материалах устанавливали при анализе рентгенограмм, учитывая соотношение интенсивностей дифракци- онных линий и отражательную способность плоскостей. Эксперименты по смачиванию полированной поверхности образца вы- полняли с использованием метода покоящейся капли при 1423 К в высокова- куумной камере, оснащенной резистивным молибденовым нагревателем. Спай термопары Pt/Pt—10 % Rh крепили под тонким керамическим держате- лем, на котором располагался смачиваемый образец. Сплав Cu—10 % (мол.) Ti был приготовлен совместной плавкой необходимых количеств меди и ти- тана. Контактные углы были измерены на увеличенных цифровых изображе- ниях капли расплавленного металла. После кристаллизации и полного осты- вания капли отделяли от образцов и производили изучение поверхностей раздела и их химического состава методом энергодисперсионной спектро- скопии (SEM-EDS). Твердость по Кнупу образцов устанавливали по стандартной методике с применением алмазного индентора, нагружаемого усилием 4,9 Н. Экспериментальные результаты и обсуждение. Компактные исходные образцы, полученные из различных реакционных смесей (см. табл. 1), по указанному выше режиму нагрева подвергали воздействию температур 2100, 2500 и 2900 К в условиях давления 8 ГПа, созданного в ячейке при 300 К. Отметим, что при нормальном давлении температуры плавления кристалли- ческих оксида бора и β-ромбоэдрического бора составляют соответственно 723 и 2303—2348 К. При 8 ГПа β-ромбоэдрический бор, по крайней мере при 2900 К, должен находиться в расплавленном состоянии. Данные предварительного рентгеновского анализа показали, что в образце исходного состава 1 при 2100 К реакция 5B + BN = B6N протекает очень мед- ленно. На дифрактограммах полученного образца, наряду с линиями B6N, присутствуют довольно интенсивные линии β-бора и hBN. Наличие значи- тельного количества непрореагировавшего hBN было причиной низкой плот- ности и прочности трехфазного материала образца. Прямое фазовое превра- щение hBN → cBN при этой температуре не зафиксировано ни в образце, ни в материале капсулы. После воздействия температурой 2500 К образец становился более плот- ным и твердым, а в материале капсулы наблюдали частичное или полное (в наиболее нагретых участках) преобразование hBN в cBN, сопровождающееся значительным отрицательным объемным эффектом превращения. Следстви- ем неполного фазового перехода было разрушение капсулы вместе с образ- цом из-за термобарических напряжений, возникающих при охлаждении и снятии давления. Очевидной причиной этого являются большие различия в КТР и упругих модулях различных фаз в образце и капсуле. В результате термобарического воздействия при 2900 К графитоподобный BN капсулы полностью превращается в cBN, образуя плотную, неотделимую от образца непроницаемую оболочку. Предполагается, что этот фактор спо- собствует снижению вероятности разгерметизации ячейки высокого давления в момент появления подвижных расплавов в образце при высокой температу- ре эксперимента. Полученные при этой температуре спеки сохраняют цело- ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 1 27 стность, хотя на полированной поверхности материала образцов выявляются тонкие нитевидные трещины (рис. 1). Аналогичное поведение наблю- дали в экспериментах с другими составами. Поэтому дальнейшие ис- следования были проведены только для образцов, полученных при тем- пературе 2900 К. Фазовый состав полученных материалов и их твер- дость представлены в табл. 3. В качестве примера на рис. 2 приведен дифракционный рентге- новский спектр, полученный от аншлифа образца 2. Отметим, что полученные ма- териалы на основе субнитрида бора В6N (образцы 1 и 2) имеют черный цвет с синеватым оттенком как в изломе, так и на поверхности ан- шлифа, при механической обработке эффект полировки достигается быстро. Материалы на основе субоксида бора В6О (образцы 3 и 4) имеют серовато- оранжевый цвет, поверхность плохо полируется. При контакте образцов с влагой на их поверхности образуется тонкий белый налет, вероятно, борной кислоты из-за взаимодействия воды с В2О3, который содержится в заметном количестве в материале. Образование тройных фаз в системе B—BN—B2O3 при 8 ГПа и 2900 К не зафиксировано. Таблица 3. Результаты рентгенофазового анализа и твердость материалов на основе В6О и В6N, полученных при 8 ГПа и 2900 К Содержание фазы, % (по массе) Образец* В6О В6N сBN В2О3 β-бор α-бор Твердость по Кнупу, ГПа 1 — 73 14 — — 13 35,4 2 — 66 20 — 4 — 26,3 3 60 — 16 24 — — 14,3 4 55 — 17 28 — — 10,7 * Соответствует номеру состава (см. табл. 1). На дифрактограмме образца 1 кроме линий фаз В6N и сBN присутствуют слабые сильно уширенные линии фазы, которую, вероятней всего, можно отнести к α-ромбоэдрическому бору, кристаллизующемуся из расплава при его охлаждении. В образце 2, исходная реакционная смесь которого содержа- ла аморфный бор, из расплава кристаллизуется небольшое количество β- ромбоэдрического бора (см. табл. 3). Во всех образцах в заметном количестве присутствует кубический нитрид бора. Очевидно, при нагревании происходит два конкурирующих процесса — химическое взаимодействие прекурсоров и превращение hBN в сBN. Кинети- ка второго, более быстрого процесса обеспечила образование cBN до полного протекания реакции взаимодействия исходных веществ. Заметим, что реак- ционная способность кубического нитрида бора должна быть ниже, чем у 1 2 Рис. 1. Внешний вид полированной поверхнос- ти образца, полученного из состава 1 при 2900 К и 8 ГПа: 1 — образец (внутри пунктир- ной линии); 2 — капсула из кубического нит- рида бора (скол в верхней части). www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 28 метастабильной графитоподобной модификации. Кроме этого, предполагает- ся, что имело место частичное растворение материала капсулы в расплаве В—В6N, чем объясняется избыточное содержание нитрида бора в материале по отношению к непрореагировавшему бору в сравнении с соотношением их количеств в исходной реакционной смеси. Рис. 2. Дифракционный рентгеновский спектр образца 2, полученного при 8 ГПа и 2900 К из исходной смеси, содержавшей (в % (мол.)) 83,3 аморфного бора и 16,7 hBN. Наличие сBN в образце 3, в реакционной смеси которого hBN отсутство- вал, также объясняется растворением капсулы из нитрида бора в расплаве В—В2О3 при температуре 2900 К и его последующей кристаллизацией в виде кубической модификации. Отличительной особенностью структуры cBN во всех полученных образ- цах является существенно увеличенный параметр решетки а = 0,3617— 0,3619 нм по сравнению с установленными значениями для монокристаллов (0,3615—0,3616 нм) [13, 14], что может свидетельствовать об образовании твердых растворов кислорода и бора в решетке cBN. При подготовке аншлифов было отмечено, что образцы 1 и 2, содержащие В6N, обладают существенно более высокой стойкостью к абразивному изно- су, чем образцы 3 и 4, содержащие В6О. Прямые измерения показывают, что твердость композитов с В6N снижается по мере уменьшения в нем количест- ва субнитрида бора (см. табл. 3). Низкая твердость композитов с В6О обу- словлена наличием в материале остаточного В2О3. В процессе подготовки аншлифов было также обнаружено, что в образце 3 имеется тонкий (100— 200 мкм), очень твердый и стойкий к абразивному износу промежуточный слой черного цвета, расположенный между образцом и капсулой из cBN. Состав слоя идентифицировать не удалось. Эксперименты по смачиванию поверхности образцов расплавом чистой меди при 1423 К в течение 30 мин показали, что для всех композитов наблю- дается большой (~ 120°) контактный угол смачивания, что также характерно и для поликристаллического cBN, использованного в качестве образца срав- нения. Поверхности раздела медной капли и образцов были чистыми и глад- кими, а в случае образцов 3 и 4, содержащих значительное количество В6О, заметно окисленными. Введение 10 % (мол.) Ti в расплав меди привело к снижению контактного угла при смачивании поликристаллического cBN до 20°. Этот же расплав полностью смачивает и поверхность образца 1, содержащего 73 % (по массе) B6N. Частичное растекание зафиксировано на образце 2. Поверхность капли после смачивания образцов 3 и 4 оказалась сильно окисленной. Причиной та- ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 1 29 кого поведения является, возмож- но, частичная диссоциация мате- риала образцов, приводящая к по- вышенному содержанию кислоро- да в зоне контакта. Результаты SEM-EDS анализа, свидетельствующие об образова- нии переходной зоны в области контакта расплава Cu—10 % Ti с поверхностью образца 2 (рис. 3), приведены в табл. 4. Таким образом, введение тита- на в медь обеспечивает необходи- мую адгезионную активность рас- плава по отношению к нитриду бора и композитам на основе В6N и В6О, что может быть использо- вано в технологиях пайки полу- ченных материалов. Таблица 4. Результаты SEM-EDS анализа поверхности образца 2 после ее смачивания расплавом Cu—10 % (мол.) Ti при 1423 К, 15 мин Заключение При исследовании системы B—BN—B2O3 установлено, что в результате нагревания при давлении 8 ГПа исходных смесей составов 5B + BN и 16B + B2O3 до температур, превышающих температуру плавления B6N и В6О, и последующей закалки продуктов реакций образуются композиционные мате- риалы соответственно на основе субнитрида B6N и субоксида бора В6О. Вто- ростепенными фазами первого композита являются cBN и бор в небольших количествах. Во втором композите присутствуют cBN и B2O3. Образование тройных соединений в системе B—BN—B2O3 при высоких давлениях и тем- пературах не установлено. Полученные результаты свидетельствуют также, что расплавы составов 5B—BN и 16B—B2O3 в условиях термобарического воздействия при 2900 К частично растворяют материал капсулы из нитрида бора. При кристаллизации расплавов образуются трехфазные материалы со- ответственно на основе B6N и В6О, что, очевидно, связано с типом диаграм- мы состояния системы B—BN—B2O3. Композит на основе субнитрида B6N более привлекателен с точки зрения практического применения, в том числе в качестве режущего материала, так как обладает высокой твердостью. В дальнейшем необходимы комплексные 7 μm Рис. 3. Структура поверхности раздела на об- разце 2 после ее смачивания расплавом Cu— 10 % (мол.) Ti при 1423 К, 15 мин. Содержание элементов, % (ат.) Точки B N O C Ti Cu 1 0 0 10,3 32,2 42,7 24,6 2 0 0 12,8 7,5 37,3 42,5 3 0 0 2,8 9,3 20,9 67,0 4 12,1 12,1 19,1 3,0 61,3 4,5 5 0,0 0,0 9,0 7,1 36,0 47,8 www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 30 исследования физических, физико-механических свойств полученного мате- риала для поиска эффективных областей его использования. При смачивании расплавом меди поверхности композиционных материа- лов на основе B6N и B6O, а также чистого поликристаллического cBN, кон- тактный угол капли составляет ~ 120°. Расплав меди, содержащий адгезионно активную добавку (10 % (мол.) Ti), с поверхностью поликристалла cBN обра- зует контактный угол до 20° и обеспечивает полное смачивание композита на основе B6N. При смачивании материалов, содержащих В6О, наблюдается сильное окисление поверхности металлических капель. Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках совместной ук- раино-израильской программы исследовательских проектов. 1. Синтетические сверхтвердые материалы. В 3 т. Т. 1. Синтез сверхтвердых материалов / Отв. ред. Н. В. Новиков. — Киев: Наук. думка, 1986. — 280 с. 2. Соложенко В. Л., Куракевич А. А., Туркевич В. З., Туркевич Д. В. Синтез субоксида бора В6О при давлениях до 1 ГПа // Сверхтв. материалы. — 2005. — № 3. — С. 14—18. 3. Соложенко В. Л., Туркевич В. З., Туркевич Д. В. Диаграмма состояния системы В—В2О3 при высоких давлениях // Там же. — 2005. — № 6. — С. 27—34. 4. Туркевич В. З., Соложенко В. Л., Туркевич Д. В. Взаимодействие фаз в системе B—BN при высоких давлениях и температурах // Породоразрушающий и металлообрабаты- вающий инструмент — техника и технология его изготовления и применения. Сб. науч. трудов. — Киев: ИСМ НАН Украины, 2006. — Вып. 9. — С. 163—167. 5. Шульженко А. А., Соколов А. Н., Дуб С. Н., Белявина Н. Н. / Кристаллическая структура и свойства сверхтвердых фаз, образующихся в системе B—B2O3—BNг в условиях вы- соких давлений и температур // Сверхтв. материалы. — 2000. — № 2. — С. 30—35. 6. Shabalala T. C., McLachlan D. S., Sigalas I. J., Herrmann M. Hard and tough boron suboxide based composites // Advances in Science and Technology. — 2006. — 45. — P. 1745—1750. 7. Naidich Ju.V. The wettability of solids by liquid metals // Prog. in Surf. Membr. Sci. — 1981. — 14. — P. 353—454. 8. Delannay F., Froyen L., Deruyttere A. The wetting of solids by molten metals and its relation to the preparation of metal-matrix-composites // J. Mater. Sci. — 1986. — 22. — P. 1—16. 9. Wettability at High Temperatures. Ed. by N. Eustathopoulos, M.G. Nicholas, B. Devet. — N. Y.: Pergamon Materials Series, 1999. — 437 p. 10. Nicholas M.G., Mortimer D.A., Jones L.M. and Crispin R.M. Some Observations on the Wetting and Bonding of Nitride Ceramics // J. Mater. Sci. — 1990. — 25. — P. 2679—2689. 11. Перевертайло В. М., Смехнов А. А., Кузенков С. П., Логинова О. Б. Влияние химиче- ского модифицирования поверхности поликристаллов КНБ на смачиваемость и адге- зию контактирующих фаз // Сверхтв. материалы. — 1994. — № 1. — С. 18—22. 12. Пат. 70815 Україна, МПК В 01 J 03/06. Пристрій для створення високого тиску та тем- ператури / А. Г. Гаран, І. А. Петруша, А. С. Осіпов. — Заявл. 30.12.03; Опубл. 15.10.04, Бюл. № 10. 13. Курдюмов А. В., Бритун В. Ф., Боримчук Н. И., Ярош В. В. Мартенситные и диффузи- онные превращения в углероде и нитриде бора при ударном сжатии. — Киев: Изд-во “О. О. Куприянова”, 2005. — 192 с. 14. Solozhenko V. L., Chernyshev V. V., Fetisov G. V. et al. Structure analysis оf the cubic boron nitride crystals // J. Phys. Chem. Solids. — 1990. — 51, N 8. — P. 1011—1012. Ин-т сверхтвердых материалов Поступила 12.09.07 им. В. Н. Бакуля НАН Украины Ун-т Бен Гуриона

Образование фаз в системе B—BN—B₂O₃ при высоких давлениях и температурах, их смачиваемость расплавами на основе меди

Institution

Ähnliche Einträge