Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN—TiC—Al
Методами рентгенівського фазового та рентгеноструктурного аналізів показано, що при реакційному спіканні композитів кубічного нітриду бору з шихти cBN + 8 ‰ Al + 26 ‰ TiC в умовах високого тиску (4,2 ГПа, 1750 К) в складі зв’язуючої кераміки, окрім AlN, утворюється твердий розчин Ti(x)Al(1-x)B(2y)N...
Saved in:
| Published in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20743 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN—TiC—Al / М.П. Беженар, С.А. Божко, Т.О. Гарбуз, Н.М. Білявина, В.Я. Марків // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 40-50. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859670950063112192 |
|---|---|
| author | Беженар, М.П. Божко, С.А. Гарбуз, Т.О. Білявина, Н.М. Марків, В.Я. |
| author_facet | Беженар, М.П. Божко, С.А. Гарбуз, Т.О. Білявина, Н.М. Марків, В.Я. |
| citation_txt | Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN—TiC—Al / М.П. Беженар, С.А. Божко, Т.О. Гарбуз, Н.М. Білявина, В.Я. Марків // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 40-50. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Методами рентгенівського фазового та рентгеноструктурного аналізів показано, що при реакційному спіканні композитів кубічного нітриду бору з шихти cBN + 8 ‰ Al + 26 ‰ TiC в умовах високого тиску (4,2 ГПа, 1750 К) в складі зв’язуючої кераміки, окрім AlN, утворюється твердий розчин Ti(x)Al(1-x)B(2y)N2(1–y), в якому атоми титану та алюмінію формують каркас близький до еквімолярного складу, а атоми бору та азоту статистично розподілені в графітоподібних сітках.
|
| first_indexed | 2025-11-30T13:50:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 40
УДК 661.657:548.73
М. П. Беженар, С. А. Божко, Т. О. Гарбуз, Н. М. Білявина,
В. Я. Марків (м. Київ)
Дибориди титану/алюмінію в композитах,
отриманих реакційним спіканням
при високому тиску в системі cBN—TiC—Al
Методами рентгенівського фазового та рентгеноструктурного
аналізів показано, що при реакційному спіканні композитів кубічного нітриду
бору з шихти cBN + 8 % Al + 26 % TiC в умовах високого тиску (4,2 ГПа, 1750 К)
в складі зв'язуючої кераміки, окрім AlN, утворюється твердий розчин
Tix Al1-x B2y N2(1–y), в якому атоми титану та алюмінію формують каркас близь-
кий до еквімолярного складу, а атоми бору та азоту статистично розподілені в
графітоподібних сітках.
Ключові слова: кубічний нітрид бору, спікання, високий тиск,
рентгеноструктурний аналіз, диборид титану, диборид алюмінію.
Вступ. При виробництві лезового інструменту широке засто-
сування знайшли композиційні матеріали на основі кубічного нітриду бору
(cBN), вміст якого в матеріалах (PCBN) провідних світових фірм здебільшого
складає 50—90 %. Такі матеріали отримують реакційним спіканням при ви-
сокому тиску cBN з алюмінієм, а також з монокарбідом або мононітридом
титану (TiC, TiN). Конкурентоздатними матеріалами такого класу є і компо-
зити киборит-2 та киборит-3, розроблені в Інституті надтвердих матеріалів
ім. В. М. Бакуля НАН України на основі систем cBN—Al і cBN—TiC—Al,
відповідно [1]. Останнім часом нами розроблюються матеріали і на основі
системи cBN—Al—ТіВ2.
Вже перші досліди зі спікання в умовах високого тиску композитів цієї
системи [2, 3] показали, що добавки ТіВ2 впливають не тільки на фізико-
механічні властивості композитів, а і на характер реакційної взаємодії між
компонентами шихти. Так, результати детального рентгенівського дослід-
ження фазового складу продуктів реакційного спікання в модельних двоша-
рових пластинах (шихта cBN—Al у контакті з порошком ТіВ2, р = 7,7 ГПа, Т
= 2300 К) та результати рентгеноструктурного дослідження кристалічної
структури ідентифікованих в кожному шарі фаз [4] показали, що внаслідок
реакційної взаємодії компонентів при високому тиску в синтезованих зразках
утворюються взаємні тверді розчини TіхAl1-хB2. Утворення цих розчинів, ві-
рогідно, здійснюється за реакцією
Al +
3
2BN +
)1(3 х
х
−
TіB2 =
3
2 AlN +
)1(3
1
х−
TіхAl1–хB2. (1)
В багатій на бор області концентрацій системи Al—Ti—B при атмосфер-
ному тиску і температурі 800 °С фазові рівноваги за даними авторів [5] фор-
мують ізоструктурні подвійні бориди AlB2 та ТіВ2, які взаємних твердих
розчинів не утворюють. В результаті дослідження методами рентгенівського
© М. П. БЕЖЕНАР, С. А. БОЖКО, Т. О. ГАРБУЗ, Н. М. БІЛЯВИНА, В. Я. МАРКІВ, 2008
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 41
аналізу та електронної мікроскопії спеченої в вакуумі кераміки Al—TiB2
(50/50 % (за об'ємом)) авторами [6] було ідентифіковано три фази — Al, TiB2,
AlB2, причому розчинність в кожній з них третього компонента не була вияв-
лена.
При нормальному тиску диборид AlB2 утворюється за перитектичною
реакцією [5, 7] при складі Al0,9B2 [8], що є дещо відхиленим від
стехіометричного (автори [8] синтезували AlB2 в електродуговій печі з
алюмінію та бору). Як показали дослідження кристалічної структури дибори-
ду алюмінію в продуктах синтезу із шихти (Al + B) та в продуктах
реакційного спікання шихти (Al + cBN) [9], нестехіометричність його складу
зберігається і при високому тиску (∼ Al0,9B2). Крім цього, в [9] було показано,
що в умовах реакційного спікання при високих тисках утворюються тверді
розчини заміщення Al0,92(B0,97O0,03)2 або/та Al0,93(B0,72N0,28)2.
Диборид титану ТіВ2 при атмосферному тиску утворюється конгруентно
(2900 °С) і має невелику область гомогенності (65—67,4 % (ат.) В за даними
[10], 66,67—68,25 % (ат.) В за даними [11]).
Деякі з відомих в літературі даних про періоди кристалічної ґратки
диборидів алюмінію та титану, синтезованих в умовах атмосферного
(10–4 ГПа) і високих тисків, наведені в табл. 1. Їх аналіз показує, що якщо
значення періодів кристалічної ґратки дибориду алюмінію (його об’єм) воче-
видь залежать від p-параметру синтезу (рис. 1), то для значень періодів
кристалічної ґратки дибориду титану такої залежності на даний час не вияв-
лено.
Таблиця 1. Періоди кристалічних ґраток AlB2 та TiB2, синтезованих
в різних умовах
№ Фаза р, ГПа а, нм с, нм Література
1 AlB2 10–4 0,30050 0,32537 [8]
2 AlB2 4 0,3011 0,3259 [9]
3 AlB2 5 0,30115 0,3262 [9]
4 AlB2 7,7 0,3016 0,3268 [9]
5 AlB2 4,2 0,3010 0,3260 [9]
6 TiB2 10–4 0,30245 0,32326 [12]
7 TiB2 10–4 0,3028 0,3228 [13]
8 TiB2 7 0,3025 0,3220 [14]
9 TiB2 7 0,3035 0,3230 [14]
10 TiB2 7 0,3034 0,3232 [14]
Примітка: 1, 5—8 — продукти синтезу шихти B + Al або В+Ті стехіометричного складу;
2—4 — продукти реакційної взаємодії шихти сBN + Al; 9—10 — продукти синтезу шихти
В + Ті з надлишком бору проти стехіометрії TiB2.
Враховуючи отримані нами раніше [4] дані про утворення за рахунок
реакційної взаємодії компонентів системи ТіВ2—Al—cBN твердого розчину
TіхAl1–хB2, було доцільно дослідити, чи реалізується подібний механізм утво-
рення таких твердих розчинів в системі cBN—TiC—Al, де тугоплавка сполу-
ка представлена не диборидом, а карбідом титану. В першу чергу доцільним
було дослідження зразків, які за складом шихти і р, Т-параметрами спікання
близькі до композиту киборит-3 [1].
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 42
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0,3004
0,3006
0,3008
0,3010
0,3012
0,3014
0,3016
а, нм
p, ГПа
а
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0,3252
0,3254
0,3256
0,3258
0,3260
0,3262
0,3264
0,3266
0,3268
p,ГПа
c, нм
б
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0,02540
0,02545
0,02550
0,02555
0,02560
0,02565
0,02570
0,02575
p, ГПа
V, нм
3
в
Рис. 1. Залежності періодів (а, б) та об’єму (в) кристалічної ґратки AlB2 від тиску.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 43
Методики експериментів
Вихідні порошки. Для приготування шихти використовували порошок
кубічного нітриду бору марки КМ 14/10 (середній розмір частинок davg =
9,9 мкм, питома поверхня σ = 0,59 м2/см3), алюмінію марки АП (з максималь-
ним розміром частинок dmах ≈ 80 мкм) і карбіду титану марки “х.ч.” вироб-
ництва Донецького заводу хімічних реактивів.
Порошок ТіС піддавали додатковому розмелу протягом 3 хв у планетар-
ному активаторі АПФ фірми “Гефест” (Росія). Після розмелу його
дисперсність і питома поверхня складали: davg = 0,316 мкм, σ = 21,5 м2/см3 (ці
дані отримані на приладі фірми SESHIN із лазерним датчиком LMS-30).
Виготовлення зразків. Дослідження взаємодії компонентів в системі
сBN—Al—TiС проводили на зразках, виготовлених з шихти сBN + 8 % Al +
26 % TiС спіканням за двохстадійним режимом, а саме: попереднє просочен-
ня алюмінієм при температурі 1300 К під тиском 2,5 ГПа; завершальне спі-
кання при температурі 1750 К під тиском 4,2 ГПа. Для спікання були викори-
стані апарати високого тиску (АВТ) типу “ковадло з заглибленням” (КЗ) двох
конструкцій [15]: КЗ-55 — сталевий апарат з діаметром заглиблення 55 мм,
що забезпечує теплові поля з низькими градієнтами температур (∼ 3 K/мм по
діаметру, ∼ 3,5 K/мм по висоті) та КЗ-35 — твердосплавний апарат з діамет-
ром заглиблення 35 мм, що забезпечує теплові поля з більш високими градіє-
нтами температур (∼ 8 K/мм по діаметру, ∼ 10 K/мм по висоті).
В схемах зборки робочого об'єму АВТ шихта безпосередньо контактувала
з графітовим нагрівником. Після спікання поверхню зразків відчищали від
графіту і зразки шліфували алмазним інструментом для надання їм форми
кубів з ребром 10 мм або плоско-паралельних пластин діаметром 9,5 мм та
висотою 3,2 мм.
Рентгеноструктурні дослідження. Після спікання зразки досліджували
методами рентгенівського фазового та рентгеноструктурного аналізів. Диф-
рактограми від поверхні пластин записували на автоматизованому дифракто-
метрі ДРОН-3 (мідне фільтроване випромінювання) в дискретному режимі:
крок сканування — 0,05о, експозиція в кожній точці — 4 с, кутовий інтервал
2θ = (24—140)о. Первинну обробку дифракційних даних (положення центрів
ваги Kα1 піків та значення їх інтегральних інтенсивностей) проводили за ме-
тодом повнопрофільного аналізу [16]. Якісний і кількісний фазовий аналіз (з
уточненням за методом найменших квадратів періодів кристалічних ґраток
кожної з ідентифікованих фазових складових), а також уточнення параметрів
кристалічних структур диборидів (коефіцієнтів заповнення в структурі типу
AlB2 правильної системи точок 1(а) атомами титану і алюмінію та правиль-
ної системи точок 2(d) атомами бору і азоту) виконували за допомогою ком-
плексу програм [16]. Коректність виконаних розрахунків контролювали зна-
ченням фактора розбіжності R.
Результати експериментального дослідження та їх аналіз
Композити системи cBN—Al—TiC. За даними рентгенівського фазового
аналізу зразки композитів цієї системи багатофазні і в основному містять
cBN, TiC, AlN, а також диборид металу структурного типу AlB2 (МеВ2)
(рис. 2). Значення періодів ґратки дибориду МеВ2 в досліджених композитах
киборит-3 приведені в табл. 2.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 44
28,0 30,0 32,0 34,0 36,0 38,0 40,0 42,0 44,0 46,0 48,0 50,0 52,0 54,0 56,0 2θ, град
00
1
M
eB
2
01
0
A
lN
01
0
M
eB
2
01
1
M
eB
2
00
2
M
eB
2
01
1
A
lN
01
2
A
lN
11
1
T
iC
00
2
A
lN
00
2
T
iC
11
1
cB
N
00
2
cB
N
Рис. 2. Типова дифрактограма від полікристалу, отриманого спіканням при високому тиску
шихти cBN + 26 % TiC + 8 % Al.
Таблиця 2. Періоди і об'єм кристалічної ґратки дибориду МеB2
в композитах системи cBN—Al—TiC (киборит-3), отриманих в АВТ
різного типу
Шифр Тип АВТ Форма зразків а, нм с, нм V, нм3
К3-1 0,30306(3) 0,32345(4) 0,02573(1)
К3-2 0,30322(6) 0,32343(8) 0,02575(2)
К3-3
КЗ-55 Куб, ребро 10 мм
0,30298(9) 0,32380(15) 0,02574(3)
1 0,30317(7) 0,32309(14) 0,02572(2)
2 0,30306(9) 0,32327(18) 0,02571(3)
3 0,30293(3) 0,32378(4) 0,02573(1)
4 0,30342(9) 0,32343(14) 0,02579(3)
5 0,30342(9) 0,32343(14) 0,02579(3)
6 0,30327(7) 0,32291(9) 0,02572(3)
7
КЗ-35 Пластина,
діаметр 9,5 мм,
висота 3,2 мм
0,30306(3) 0,32345(4) 0,02573(1)
Раніше [17] при спіканні в умовах високого тиску шихти cBN—TiC дибо-
рид титану ТіВ2 (або диборид МеВ2) в продуктах спікання ідентифіковано не
було. Якщо припустити, що в системі cBN—Al—ТіС реакція, в результаті
якої утворюється диборид, відбувається лише між кубічним нітридом бору та
алюмінієм (без участі карбіду титану), то фаза МеВ2 має бути диборидом
алюмінію:
Al +
3
2 BN + n TiC =
3
2 AlN + n TiC +
3
1 AlB2. (2)
Утворення дибориду титану може відбуватися за будь-якою з наведених
нижче реакцій (3)—(6), перевага певної з них залежить від термодинамічних і
кінетичних умов:
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 45
Al + BN +
2
1 TiC = AlN +
2
1 TiB2 +
2
1 C; (3)
Al + BN +
6
1 TiC = AlN +
6
1 TiB2 +
6
1 B4C; (4)
Al +
5
3 BN +
10
3 TiC =
5
3 AlN +
10
3 TiB2+
10
1 Al4C3; (5)
Al +
2
1 BN +
6
1 TiC =
2
1 AlN +
6
1 TiB2+
6
1 Al3ВC. (6)
Значення періодів ґраток дибориду в продуктах синтезу (табл. 2) суттєво
відрізняються від значень періодів ґратки AlB2 (див. табл. 1) і дещо переви-
щують значення періодів ґратки TiB2 у вихідному порошку [4]. Аналіз наве-
дених в табл. 2 значень показує, що періоди і об'єм кристалічної ґратки дибо-
риду МеВ2, який утворюється в зразках киборита-3 в результаті реакційної
взаємодії компонентів шихти, змінюються в такому діапазоні: a = (0,3022—
0,3034) нм, c = (0,3229—0,3238) нм, V = (0,02571—0,02579) нм3. Наявність
залежності періодів ґратки цієї фази від технологічних умов отримання
композитів (а саме, більший розбіг значень періодів ґраток при спіканні в
температурних полях з високими градієнтами) спонукала нас провести ре-
тельне рентгеноструктурне дослідження кристалічної структури цього дибо-
риду для визначення характеру розміщення компонентів за правильними
системами точок просторової групи P6/mmm.
Оскільки значення періоду a кристалічних ґраток фаз МеВ2 в усіх
досліджених продуктах синтезу (див. табл. 2) не наближалися до значення
періоду ґратки AlB2 (що є характерним для утворення твердих розчинів
заміщення [4]), а навпаки, віддалялися від них, то структурні розрахунки
проводили за двома найбільш вірогідними моделями:
1. В структурі типу AlB2 правильна система точок 2(d) повністю зайнята
атомами бору, а атоми титану та алюмінію статистично розподілені за пра-
вильною системою точок 1(а).
2. Атоми титану та алюмінію в структурі типу AlB2 статистично
розміщені за правильною системою точок 1(а), а атоми бору та іншого легко-
го компоненту (вуглецю, азоту, кисню) статистично розподілені за правиль-
ною системою точок 2(d).
Розрахунки за другою моделлю проводили, розміщуючи в графі-
топодібних сітках (2(d)) поряд з бором азот. При цьому вважали, що
кристалічні структури бездефектні (вакансій немає). Очевидно, що розрахун-
ки для кожної зі зазначених моделей привели до одного і того ж значення
фактора розбіжності, але результати заповнення відповідними атомами пра-
вильних систем точок 1(а) та 2(d) виявилися різними (табл. 3).
З використанням даних (табл. 2, 3) побудовано графіки залежностей
періодів кристалічних ґраток твердого розчину TixAl1–xB2yN2(1–y) від вмісту в
ньому алюмінію (при побудові графіків враховано результати розрахунків за
варіантом 2) (рис. 3). Дані для фаз 100 % TiB2 і 100 % AlB2 взяті з табл.1.
Таким чином, серед можливих продуктів реакцій (2—6) в досліджених
зразках не виявлено ні фази AlB2, ні фази TiB2. Замість них в усіх
досліджених зразках за даними рентгеноструктурного дослідження поряд з
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 46
0 20 40 60 80 100
0,3000
0,3005
0,3010
0,3015
0,3020
0,3025
0,3030
0,3035
Атмосферний
тиск
TiB
2
AlB
2
a, нм
7,7 ГПа
4 ГПа
а
0 20 40 60 80 100
0,322
0,323
0,324
0,325
0,326
0,327
AlB
2
TiB
2
c, нм
7,7 ГПа
4 ГПа
Атмосферний
тиск
б
0 20 40 60 80 100
0,02540
0,02545
0,02550
0,02555
0,02560
0,02565
0,02570
0,02575
0,02580
AlB
2
TiB
2
V, нм
3
7,7 ГПа
4 ГПа
Атмосферний
тиск
в
Рис. 3. Залежності періодів (а, б) та об’єму (в) кристалічної ґратки твердого розчину
TixAl1–xB2yN2(1–y) від вмісту в ньому алюмінію.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 47
AlN присутній твердій розчин TixAl1–xB2. Наявність же в окремих зразках
невеликої кількості вільного вуглецю, B4C, Al4C3 або Al3BC вказує на
можливість певного вкладу реакцій (3)—(6) при термодинамічних парамет-
рах спікання (4,2 ГПа, 1750 К).
Розрахунки формульного складу (див. табл. 3) показали, що при
реакційному спіканні шихти cBN—Al—TiC з попереднім просоченням і па-
раметрами завершальної стадії р = 4,2 ГПа, Т = 1750 К утворюється диборид
титану/алюмінію майже еквімолярного складу (∼ Ti0,46Al0,54B2). Розбіг між
результатами для окремих зразків, отриманих в АВТ КЗ-35, пов’язаний з тим,
що градієнти температур, як відомо, суттєво впливають на умови масопере-
носу елементів в розплаві.
Таблиця 3. Результат уточнення складу бориду TixAl1–xB2yN2(1–y)
методом рентгеноструктурного аналізу
Результат уточнення складу бориду TixAl1–xB2yN2(1–y),
Варіант 1, y = 1 Варіант 2, y ≠ 1 Шифр
Tix Al1–x Tix Al1–x By N1–y
R
К3-1 0,41(2) 0,59(2) 0,51(2) 0,49(2) 0,45(6) 0,55(6) 0,12
К3-2 0,46(3) 0,54(3) 0,65(2) 0,35(2) 0,92(6) 0,08(6) 0,11
К3-3 0,51(3) 0,49(3) 0,51(3) 0,49(3) 1,00(6) 0,00(6) 0,10
Середнє* 0,46±0,04 0,54±0,04 0,56±0,06 0,44±0,06 — — —
2 0,46(2) 0,54(2) 0,79(2) 0,21(2) 0,82(5) 0,18(5) 0,12
3 0,43(2) 0,57(2) 0,61(3) 0,39(3) 0,78(5) 0,22(5) 0,12
4 0,21(4) 0,79(4) 0,51(2) 0,49(2) 0,80(6) 0,20(6) 0,11
5 0,63(2) 0,37(2) 0,63(2) 0,37(2) 1,00(4) 0,00(4) 0,08
7 0,53(2) 0,47(2) 0,53(2) 0,47(2) 1,00(4) 0,00(4) 0,10
Середнє* 0,45±0,08 0,55±0,08 0,61±0,06 0,39±0,06 — — —
* Дисперсія середніх значень розрахована при довірчій ймовірності р = 0,68, коефіцієнтах
Ст’юдента t = 1,31 i t = 1,13 відповідно для n = 3 і n = 5.
Твердий розчин диборидів алюмінію і титану утворюється, якщо одночасно
з реакцією (2) відбувається одна (а можливо і декілька) з реакцій (3)—(6). На-
ведемо приклади можливих реакцій при утворенні дибориду еквімолярного
складу в продуктах реакції шихти cBN + 8 % Al + 26 % TiC. Ці реакції
отримані в результаті суперпозиції реакції (2) з реакціями (3)—(6), які прохо-
дять з утворенням вільного вуглецю або його сполук В4С, Al4C3 і Al3BC:
Al +
17
16 BN +
17
5 TiC =
17
12 AlN +
17
10 Ti0,5Al0,5B1,6N0,4 +
17
5 C; (7)
Al +
29
24 BN +
29
5 TiC =
29
20 AlN +
29
10 Ti0,5Al0,5B1,6N0,4 + 29
2 B4C +
29
1 Al4C3; (8)
Al +
9
8 BN +
18
5 TiC =
3
2 AlN +
9
5 Ti0,5Al0,5B1,6N0,4 +
72
17 С +
72
1 Al4C3; (9)
Al +
9
5 BN +
9
1 TiC =
9
5 AlN +
9
2 Ti0,5Al0,5B2 +
9
1 Al3ВС; (10)
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 48
Al +
5
4 BN +
5
1 TiC =
5
4 AlN +
5
2 Ti0,5Al0,5B2 +
5
1 C. (11)
За даними фазового аналізу зразки містять продукти реакцій (7)—(11) і
залишок з загального вмісту вихідних складових шихти — нітриду бору і
карбіду титану (табл. 4).
Таблиця 4. Вміст фаз (% за масою) в зразках після спікання шихти
cBN + 26 % TiC + 8 % Al згідно балансу маси в реакціях (7)—(11)
Реакція сBN TiC AlN МеВ2 C B4C Al4C3 Al3BC
Ti0,5Al0,5B1,6N0,4
7 59,07 20,78 8,58 10,52 1,05 — — —
8 59,91 22,94 8,38 6,17 — 1,13 1,47 —
9 59,46 21,07 8,10 9,94 0,84 — 0,59 —
Ti0,5Al0,5B2
10 61,91 24,03 6,75 3,89 — — — 3,42
11 60,11 22,45 9,72 7,00 0,71 — — —
Представлені в табл. 4 результати показують, що в залежності від
кінетичних умов, які визначають переважні напрямки реакційної взаємодії,
фазовий склад зразків може змінюватися. Відносно стабільними залишаються
тільки вміст фаз високої твердості — кубічного нітриду бору (59—62 %) і
карбіду титану (21—24 %). Саме вони разом забезпечують високу твердість
композитів HV = 27 ГПа. Продукти реакційної взаємодії розташовані в ос-
новному на міжфазних границях. Вони забезпечують релаксацію напруг і
запобігають утворенню тріщин. В кращих дослідних зразках таких
композитів тріщиностійкість складала 8—9 МПа⋅м1/2 [18].
Вміст основних фаз (нітриду алюмінію і складного дибориду) в складі
зв’язуючої кераміки може змінюватися. Так, для реакцій (7)—(11)
відношення AlN : MeB2 знаходиться в межах 0,8—1,7 (див. табл. 4). Якщо
врахувати, що при дисоціації нітриду бору в умовах високого тиску азот не
накопичується в розплаві алюмінію (як це відбувається для бору), а входить
до складу конденсованих фаз, то невисокому вмісту нітриду алюмінію
відповідають варіанти реакцій, при яких азот входить до складу твердого
розчину (Ti0,5Al0,5B0,8N0,2), а високому вмісту нітриду алюмінію — реакції з
утворенням сполук бору (В4С, Al3BC). Слід зазначити також, що вміст сполук
вуглецю в зв’язуючій кераміці (AlN—MeB2) складає 4—25 %, хоча доля цих
карбідів в складі композиту в цілому невелика (див. табл. 4).
Фаза Al3BC, що утворюється в результаті реакції (10), позитивно впливає
на абразивні властивості композитів. Раніше при дослідженні системи cBN—
C—Al [19] нами було показано, що це відбувається за рахунок релаксації
тріщин в локальних об’ємах міжфазних границь cBN—Al3BC—алмаз.
Нарешті, про вплив термодинамічних параметрів спікання на склад
диборидів. В [4] при спіканні шихти cBN—Al на підкладці TiВ2 з попереднім
просоченням і більш високих параметрах завершальної стадії (р = 7,7 ГПа,
Т = 2300 К) в шарі cBN ідентифікували диборид складу Ti0,76Al0,24B2, тобто
диборид зі значно меншим вмістом алюмінію. Можна припустити, що в даній
роботі і в [4] серед багатьох факторів впливу на склад твердих розчинів
TixAl1–xB2 одним з найбільш важливих є наближення області термодина-
мічних параметрів спікання до наявних на діаграмах стану систем Al—B i
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 49
Ti—B [5, 7, 10] областей кристалізації диборидів алюмінію або титану з роз-
плаву. Детальна перевірка цієї гіпотези, а також дослідження впливу фаз
TixAl1–xB2yN2(1–y) на фізико-механічні властивості композитів дозволили б
цілеспрямовано формувати в композитах кубічного нітриду бору з тугоплав-
кими сполуками титану твердий розчин певного складу.
Висновки
Методами рентгенівського фазового та рентгеноструктурного аналізів по-
казано, що в продуктах реакційної взаємодії при високому тиску (р = 4,2 ГПа,
Т = 1750 К) компонентів шихти cBN + 8 % Al + 26 % TiC поряд з нітридом
алюмінію AlN утворюється диборид, який є твердим розчином на основі ди-
бориду титану (алюмінію). Склад цього твердого розчину при низьких
градієнтах температур в реакційному об’ємі АВТ наближений до еквімо-
лярного ∼ Ti0,46Al0,54B2. Приймаючи до уваги залежності періодів ґраток твер-
дого розчину від вмісту в ньому алюмінію, показано, що найбільш імовірним
утворення в системі cBN—Al—TiC твердого розчину
TixAl1–xB2yN2(1–y), в якому атоми титану та алюмінію формують каркас, а ато-
ми бору та азоту статистично розподілені в графітоподібних сітках.
1. Новиков Н. В., Шульженко А. А., Беженар Н. П. и др. Поликристаллические материалы
на основе кубического нитрида бора // Синтез, спекание и свойства сверхтвердых
материалов: Сб. науч. тр. — Киев: ИСМ НАН Украины, 2005. — С. 122—128.
2. Гарбуз Т. О., Кріштова О. В., Беженар М. П. та ін. Фізико-хімічна взаємодія в системах
cBN—TiB2—Al, cBN—ZrN—Al при спіканні під високим тиском і властивості
одержаних композитів // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент
— техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — Вып. 10. —
Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2007. — С. 320—327.
3. Беженар Н. П., Божко С. А., Гарбуз Т. А. и др. Спекание при высоких давлениях
порошков cBN с добавками тугоплавких соединений // Физика и техника высоких
давлений. — 2007. — 17, № 2. — С. 86—95.
4. Беженар Н. П., Божко С. А., Гарбуз Т. А. и др. Особенности кристаллической
структуры диборида титана, образующегося в сверхтвердых композитах системы
cBN—Al—TiB2 // Сверхтв. материалы. — 2008. — № 3. — С 92—95.
5. Кузьма Ю. Б., Чабан Н. Ф. Двойные и тройные системы, содержащие бор: Справ. изд.
— М.: Металлургия, 1990. — 320 с.
6. Драчинский А. С., Коржова Н П., Карпец М. В. и др. Влияние термической обработки на
структуру и свойства спеченного материала Al—TiB2 // Электронная микроскопия и
прочность материалов. — Киев: ИПМ НАН Украины, 2006. — С. 147—150.
7. Кислый П. С., Неронов В. А., Прихна Т. А., Бевза Ю. В. Бориды алюминия. — Киев:
Наук. думка, 1990. — 192 с.
8. Burkhard U., Gurin V., Haarmann F. et al. On the electronic and structural properties of alu-
minium diboride Al0.9B2 // Solid State Chemistry. — 2004. — 177. — Р. 389—394.
9. Беженар Н. П., Божко С. А., Белявина Н. Н. и др. Кристаллическая структура диборида
алюминия в композитах КНБ, полученных реакционным спеканием при высоких
давлениях // Доп. НАН України. Матеріалознавство. — 2007. — № 9. — С. 76—80.
10. Серебрякова Т. И., Неронов В. А., Пешев П. Д. Высокотемпературные бориды. — М.:
Металлургия. Челяб. отд-ние, 1991.— 368 с.
11. Pierson H. O., Mullendore A. W. The сhemical vapor deposition of TiB2 from diborane //
Thin Solid Films. — 1980. — 72, N 3. — Р. 511—516.
12. Кузьма Ю. Б. Кристаллохимия боридов. — Львов: Вища школа, 1983. — 160 с.
13. Lundstrom T. Preparation and crystal chemistry of some refractory borides and phosphides //
Arkiv. Kemi. — 1969. — 31. — Р. 227—266.
14. Тимофеева И. И. Влияние высоких давлений на металлоподобные бориды // Влияние
высоких давлений на вещество. Т. 1. Влияние високих давлений на структуру и
свойства веществ. — Киев: Наук. думка, 1987. — С. 77—85.
15. Боримский А. И., Новиков Н. В. Аппараты высокого давления для синтеза и спекания
сверхтвердых материалов // Сверхтвердые материалы. Получение и применение. В 6 т.
Т. 1. Синтез алмаза и подобных материалов. — Киев, 2003. — С. 29—96.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 50
16. Марків В. Я., Білявина Н. М. Апаратно-програмний комплекс для дослідження
полікристалічних речовин за їх дифракційними спектрами // Тез. доп. Другої міжнар.
конф. “Конструкційні та функціональні матеріали”. КФМ 97. — Львів, 1997. —
С. 260—261.
17. Беженар Н. П., Божко С. А., Белявина Н. Н., Маркив В. Я. Физико-химическое взаимо-
действие сфалеритного нитрида бора с карбидом титана при спекании в условиях высо-
кого давления // Сверхтв. материалы. — 1996. — № 6. — С. 54—61.
18. Беженар М. П., Шульженко О. О., Боженок В. М. та ін. Нова продукція PCBN —
свердла з двошарового композита кубічного нітрида бору // Породоразрушающий и ме-
таллообрабатывающий инструмент — техника и технология его изготовления и приме-
нения: Сб. науч. тр.— Киев: ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2007. —Вып. 10. —
С. 184—188.
19. Беженар М. П., Божко С. А., Білявина Н. М. та ін. Фазовий склад композитів, отрима-
них реакційним спіканням в системі кубічний нітрид бору—алмаз—алюміній при ви-
сокому тиску // Сверхтв. материалы. — 2007. — № 6. — С. 27—37.
Інститут надтвердих матеріалів Надійшла 18.03.08
ім. В. М. Бакуля НАН України
Київський національний ун-т
ім. Тараса Шевченка
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20743 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T13:50:58Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Беженар, М.П. Божко, С.А. Гарбуз, Т.О. Білявина, Н.М. Марків, В.Я. 2011-06-04T18:01:47Z 2011-06-04T18:01:47Z 2008 Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN—TiC—Al / М.П. Беженар, С.А. Божко, Т.О. Гарбуз, Н.М. Білявина, В.Я. Марків // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 40-50. — Бібліогр.: 19 назв. — укр. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20743 661.657:548.73 Методами рентгенівського фазового та рентгеноструктурного аналізів показано, що при реакційному спіканні композитів кубічного нітриду бору з шихти cBN + 8 ‰ Al + 26 ‰ TiC в умовах високого тиску (4,2 ГПа, 1750 К) в складі зв’язуючої кераміки, окрім AlN, утворюється твердий розчин Ti(x)Al(1-x)B(2y)N2(1–y), в якому атоми титану та алюмінію формують каркас близький до еквімолярного складу, а атоми бору та азоту статистично розподілені в графітоподібних сітках. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Получение, структура, свойства Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN—TiC—Al Article published earlier |
| spellingShingle | Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN—TiC—Al Беженар, М.П. Божко, С.А. Гарбуз, Т.О. Білявина, Н.М. Марків, В.Я. Получение, структура, свойства |
| title | Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN—TiC—Al |
| title_full | Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN—TiC—Al |
| title_fullStr | Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN—TiC—Al |
| title_full_unstemmed | Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN—TiC—Al |
| title_short | Дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cBN—TiC—Al |
| title_sort | дибориди титану/алюмінію в композитах, отриманих реакційним спіканням при високому тиску в системі cbn—tic—al |
| topic | Получение, структура, свойства |
| topic_facet | Получение, структура, свойства |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20743 |
| work_keys_str_mv | AT beženarmp diboridititanualûmíníûvkompozitahotrimanihreakcíinimspíkannâmprivisokomutiskuvsistemícbntical AT božkosa diboridititanualûmíníûvkompozitahotrimanihreakcíinimspíkannâmprivisokomutiskuvsistemícbntical AT garbuzto diboridititanualûmíníûvkompozitahotrimanihreakcíinimspíkannâmprivisokomutiskuvsistemícbntical AT bílâvinanm diboridititanualûmíníûvkompozitahotrimanihreakcíinimspíkannâmprivisokomutiskuvsistemícbntical AT markívvâ diboridititanualûmíníûvkompozitahotrimanihreakcíinimspíkannâmprivisokomutiskuvsistemícbntical |