Технология получения, структурообразование и некоторые свойства композиционной керамики системы W2B5–TiB2–B4C
Досліджено властивості, закономірності фазо- та структуроутворення і міцнісні характеристики композиційної кераміки системи W2B5–TiB2–B4C. Показана перспективність технології реакційного гарячого пресування, яка дає можливість замінити до 50% боридів металів у вихідній шихті на більш дешеві шихти, щ...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/37219 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Технология получения, структурообразование и некоторые свойства композиционной керамики системы W2B5–TiB2–B4C / А.В. Коротеев, С.Ю. Саенко, В.А. Котенко, Н.Д. Бега, Л.М. Удовенко // Доп. НАН України. — 2011. — № 2. — С. 84-89. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859626234118406144 |
|---|---|
| author | Коротеев, А.В. Саенко, С.Ю. Котенко, В.А. Бега, Н.Д. Удовенко, Л.М. |
| author_facet | Коротеев, А.В. Саенко, С.Ю. Котенко, В.А. Бега, Н.Д. Удовенко, Л.М. |
| citation_txt | Технология получения, структурообразование и некоторые свойства композиционной керамики системы W2B5–TiB2–B4C / А.В. Коротеев, С.Ю. Саенко, В.А. Котенко, Н.Д. Бега, Л.М. Удовенко // Доп. НАН України. — 2011. — № 2. — С. 84-89. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Досліджено властивості, закономірності фазо- та структуроутворення і міцнісні характеристики композиційної кераміки системи W2B5–TiB2–B4C. Показана перспективність технології реакційного гарячого пресування, яка дає можливість замінити до 50% боридів металів у вихідній шихті на більш дешеві шихти, що містять відповідні метали, оксиди і карбід бору. Хімічні реакції при спіканні активують консолідацію кераміки і дозволяють істотно знизити температуру гарячого пресування, що значно здешевлює вартість кінцевих виробів при збереженні їх міцнісних властивостей.
We investigated the properties, regularities of the phase- and structure-formations and the strength characteristics of composite ceramics of the W2B5–TiB2–B4C system. The promising technology of the reaction hot-pressing with the possibility of replacing up to 50% of metal borides in the starting material by a cheap blend containing the appropriate metals, oxides, and boron carbide. Chemical reactions during the sintering of ceramics activate the consolidation and can significantly lower the temperature of hot pressing, which decreases the cost of finished products while maintaining their strength properties.
|
| first_indexed | 2025-11-29T11:22:06Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.762
© 2011
А.В. Коротеев, С. Ю. Саенко, В. А. Котенко, Н.Д. Бега,
Л.М. Удовенко
Технология получения, структурообразование
и некоторые свойства композиционной керамики
системы W2B5−TiB2−B4C
(Представлено членом-корреспондентом НАН Украины О.Н. Григорьевым)
Дослiджено властивостi, закономiрностi фазо- та структуроутворення i мiцнiснi ха-
рактеристики композицiйної керамiки системи W2B5−TiB2−B4C. Показана перспек-
тивнiсть технологiї реакцiйного гарячого пресування, яка дає можливiсть замiнити
до 50% боридiв металiв у вихiднiй шихтi на бiльш дешевi шихти, що мiстять вiдповiд-
нi метали, оксиди i карбiд бору. Хiмiчнi реакцiї при спiканнi активують консолiдацiю
керамiки i дозволяють iстотно знизити температуру гарячого пресування, що значно
здешевлює вартiсть кiнцевих виробiв при збереженнi їх мiцнiсних властивостей.
Известна [1, 2] перспективность использования керамики на основе боридов W2B5−TiB2
в качестве износостойкого материала. Компоненты данной керамики образуют эвтекти-
ческую систему с широкими областями растворимости [1] и это открывает возможности
использования процессов консолидации и термообработки материала для эффективного
управления его фазовым составом и структурным состоянием. Переход к тройной систе-
ме W2B5−TiB2−B4C, также эвтектического типа, позволяет существенно расширить как
технологические возможности получения керамики за счет реализации процессов реакци-
онного спекания, так и области ее использования.
В наших ранних работах была продемонстрирована возможность получения широкой
гаммы керамических композитов на основе системы W2B5−TiB2−B4C [3]. Было обнаруже-
но, что особенности структурного состояния этой керамики позволяют даже на крупнозер-
нистых материалах получать уровень прочности при изгибе порядка 1000 МПа, а сама ке-
рамика может быть использована в качестве конструкционной ударостойкой, одновременно
обеспечивающей защиту в полях ионизирующих излучений, для изготовления контейнеров
хранения радиоактивных отходов. Кроме того, в такой керамике увеличение содержания
карбида бора позволяет существенно снизить весовые показатели изделий. Тем не менее,
до настоящего времени механизмы процессов реакционного горячего прессования и струк-
турообразования тройной керамики исследованы недостаточно.
В настоящей работе на модельных материалах составов (50% (об.) TiB2 + 50% (об.)
W2B5) — 0–40% (об.) B4C выполнено изучение фазового и структурного состояния кера-
мики, полученной как с использованием предварительно синтезированных порошков, так
и с использованием в шихтах некоторых оксидов c реализацией режимов реакционного
спекания.
Из различных способов синтеза смеси заданных компонентов при горячем прессовании
был выбран вариант, основывающийся на прохождении при спекании — горячем прессо-
вании реакции:
B4C+TiO2 + 2W = W2B5 +TiB2 + 2CO+ (B). (1)
84 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №2
В результате данной реакции образуется эквимолярная смесь боридов титана и воль-
фрама с небольшим избытком свободного бора (до 2% (мас.)). Однако в реальных образцах
возможен дефицит бора и избыток свободного углерода. Дефицит бора может иметь место
из-за образования оксидов бора, а также в результате боротермического восстановления
оксида титана:
2TiO2 +B → Ti2O3 + BO ↑ . (2)
При введении и исходную шихту избытка карбида бора можно изменять состав коне-
чного продукта по линии (50% (об.) W2B5 + 50% (об.) TiB2)-B4C.
Для изучения структуры и механических свойств материалов, полученных в резуль-
тате проведения реакции (1) при горячем прессовании изделий, была приготовлена шихта
с условным обозначением К4 состава: W — 62,2, TiO2 — 13,2, B4C — 23,5 (% (мас.)), которая
соответствует фазовому составу керамики TiB2 — 50, W2B5 — 50, B4C — 20 (% (об.)).
Шихта готовилась путем размола — смешивания в планетарной мельнице в среде ацето-
на. Использовались барабаны, изготовленные из карбида бора, и шары из диборида титана.
Из приготовленной шихты прессовались образцы 6 × 6 × 36 мм методом горячего прессо-
вания в графитовой пресс-форме при температуре 1950 ◦С с выдержкой под давлением
30 мин. Удельное давление прессования составляло 30 МПа. После шлифования алмазным
кругом заготовок до размера 3,5×4×36 мм измеряли плотность материала методом гидро-
статического взвешивания и определяли прочность на изгиб методом трехточечного изгиба.
Для шихты К4 нагрев проводился до четырех различных температур: 1200, 1450, 1600
и 1800 ◦С. Фрагмент рентгенограммы в части, касающейся анализа образующихся боридов,
приведен на рис. 1, а. Установлено, что уже при температуре 1200 ◦C начинается реакция
восстановления — борирования:
TiO2 +W+B4C → B4C+ TiB2 +Ti2O3 +WB.
После нагрева до 1450 ◦C в образцах присутствуют такие соединения: B4C, TiB2, WB.
После нагрева до 1600 ◦C и выше в материале присутствуют B4C, W2B5 и TiB2, что го-
ворит о прохождении реакции (1), а также небольшие количества свободного углерода.
Таким образом, можно сделать вывод о возможности получения керамики данной группы
на основе проведения в процессе горячего прессования реакции (1). При этом синтез борида
вольфрама происходит последовательно с переходом от низших боридов к высшим.
Для дальнейшего исследования были приготовлены три различные шихты для полу-
чения материала конечного состава К4: шихта 1 — шихта состава W — 62,2, TiO2 — 13,2,
B4C — 23,5 (% (мас.)) (К4–100); шихта 2 — приготовлена из исходных компонентов (TiB2,
W2B5, B4C) (К4–0); шихта 3 — смесь шихт 1 и 2, обеспечивающая получение при горячем
прессовании 50% объема материала по реакции (1) и 50% объема материала из исходных
компонентов (К4–50). Температура горячего прессования была увеличена до 1900–2000 ◦C.
Как видно из рис. 1, б, горячее прессование при T = 2000 ◦C приводит к получению
керамики TiB2−W2B5−B4C при различных вариантах шихт. При этом в керамике, полу-
ченной с участием процессов реакционного спекания, также фиксируются небольшие ко-
личества свободного углерода. Сдвиг положений линий боридов относительно типичных
из базы PDF-2 указывает на образование твердых растворов в соответствии с диаграммой
состояния данной системы.
Результаты измерения плотности указывают на значительную кажущуюся пористость
керамики (до 5–10%). Это обусловлено следующими причинами. Во-первых, свободный бор,
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №2 85
Рис. 1. Рентгенограммы керамики состава К4: а — для интервала температур 1200–1800 ◦С; б — TГП =
= 2000 ◦С с различными вариантами подготовки исходных шихт. Обозначения: T — TiB2; T1 — Ti2O3; B —
B4C; W — W2B; W1 — WB; W2 — W2B5; WT — TixW1−x; С — свободный углерод; Si — Siet
возникающий в результате реакции (1), частично или полностью взаимодействует с атмо-
сферой (СО) в индукторе горячего прессования, образуя вторичный карбид бора, что ме-
няет фактический состав материала и уменьшает его плотность. Это подтверждается тем,
что разница в теоретической и экспериментальной плотности уменьшается по мере уве-
личения содержания карбида бора в материале. Кроме того, рентгенографические данные
указывают на формирование линии с d = 0,3327 нм (2θ = 26,77◦), которая связана с по-
явлением в системе свободного углерода с низкой, по отношению к другим компонентам,
плотностью. При этом выявляемая микроскопически остаточная пористость образцов, по-
86 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №2
Рис. 2. Оптические микрофотографии структур горячепрессованной керамики системы W2B5−TiB2−B4C:
а — для образцов состава TiB2 — 50, W2B5 — 50, B4C — 40 ((%), об); б — для образцов состава К4-50,
полученных при 1900 ◦С
лученных при относительно низкой температуре горячего прессования (1800 ◦С), не пре-
вышала уровня 5–6%. Микроструктура полученной керамики представлена на рис. 2, а, где
светлые участки (два оттенка) соответствуют боридам титана и вольфрама, темно-серые —
зернам карбида бора и черные — порам и включениям свободного углерода. Размер зерен
карбида бора и конгломератов боридов титана и циркония достигает 25 мкм. На рис. 2, б
представлена типичная микроструктура керамики, полученной при температуре 1900 ◦C.
В целом структура данной серии керамики идентична получаемой методом реакционно-
го спекания. Наблюдается некоторое измельчение структуры композита с размером зерна
порядка 10 мкм у образцов, полученных горячим прессованием конечных продуктов (бори-
дов титана и вольфрама и карбида бора). Повышение температуры горячего прессования
сопровождалось также снижением пористости до уровня 3–5%, наблюдаемой металлогра-
фически.
Значительный размер зерен и пористость приводят к умеренному уровню механиче-
ских свойств. Результаты измерений твердости в широком диапазоне нагрузок на индентер,
а также их прочности при изгибе приведены на рис. 3.
Увеличение содержания B4C в исходной шихте сопровождается незначительным уве-
личением твердости полученных композитов при малых нагрузках на индентер. При этом
наибольшую твердость имеют образцы, которые содержат до 40% (об.) B4C (20–25 ГПа).
С увеличением нагрузки на индентор твердость всех образцов уменьшается вследствие уве-
личения размера области разрушения в области отпечатков, а при содержании карбида бора
порядка 30% (об.) “охрупчивание” материала приводит к формированию минимума твердо-
сти. Аналогичное снижение прочности керамики наблюдается и при испытаниях на изгиб.
В соответствии с результатами [3] такое снижение прочностных характеристик в гетерофа-
зной керамике при умеренных количествах карбида бора рассматриваемой системы объя-
сняется влиянием на сопротивление разрушению межфазных термических напряжений.
Особенности микроструктуры керамики, также отсутствие рентгенографически выявляе-
мого свободного углерода в материале, полученном прямым горячим прессованием смеси
конечных порошков, предопределили наибольшую прочность керамики К4–0 (табл. 1).
При обеих температурах горячего прессования с переходом от реакционного спекания
к прямому спеканию порошков конечных фаз прочность увеличивается, достигая отно-
сительно высоких значений 770–780 МПа даже при большом размере зерна 10–20 мкм.
При Tгп = 2000 ◦С замена 50% шихты на реакционно-спекающиеся компоненты (с сущест-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №2 87
Рис. 3. Некоторые механические свойства керамики системы (50% (об.) W2B5 + 50% (об.) TiB2)−B4C в за-
висимости от содержания B4C: а — твердость образцов при различной нагрузке на индентор; б — прочность
образцов при изгибе
венным удешевлением стоимости) сопровождается пренебрежимо малым падением про-
чности. Для рассматриваемых композитов являются интересными противоположные по
направленности температурные изменения коэффициента вариации прочности, который
определяется структурной неоднородностью материала. В реакционно-спекаемой керамике
(К4–100), в которой химические реакции активируют горячее прессование, значение коэф-
фициента вариации минимально при Tгп = 1900 ◦С, которая видимо близка к оптимальной
и еще не вызывает увеличения структурной неоднородности. В керамике, спекаемой из по-
рошков конечных компонентов, дополнительная, обусловленная химическими реакциями
активация спекания отсутствует, температура горячего прессования, обеспечивающая полу-
чение плотного структурно-однородного материала, оказывается повышенной, по крайней
мере, до 2000 ◦С.
Таким образом, результаты исследования закономерностей структуро- и фазообразова-
ния керамики системы W2B5−TiB2−B4C в процессе реакционного горячего прессования
показывают, что керамика при ее получении спеканием порошков соответствующих туго-
плавких соединений имеет высокие прочностные свойства (780 МПа) даже при относитель-
но высоком размере зерна 10–20 мкм. Однако спекание таких порошков требует температур
горячего прессования порядка 2000 ◦С. Переход к реакционному горячему прессованию
с заменой до 50% (об.) порошков боридов на более дешевые компоненты шихты позво-
ляет снизить температуру горячего прессования при незначительной потере прочностных
свойств.
Таблица 1. Прочность при изгибе (σизг. средн) и коэффициент вариации прочности (в скобках) керамики К4
Прочность
Температура горячего
прессования, ◦С
Шихта
К4-100 К4-50 К4-0
σизг. средн, МПа 1900 350 (6) 465 (10) 600 (12)
(коэффициент вариации, %) 2000 600 (25) 770 (7) 780 (3)
88 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №2
1. Серебрякова Т.И., Неронов В.А., Пешев П.Д. Высокотемпературные бориды. – Москва: Металлур-
гия, 1991. – 368 с.
2. Телле Р., Фендлер Е., Петцов Г. Квазитройная система TiB2−W2B5−CrB2 и ее возможности в эво-
люции керамических твердых материалов // Порошк. металлургия. – 1993. – № 3. – С. 58–69.
3. Григорьев О.Н., Прилуцкий Э.В., Трунова Е. Г., Козак И.В. Структура и свойства керамики на
основе боридов вольфрама, титана и карбида бора // Там же. – 2002. – № 3/4. – С. 65–70.
Поступило в редакцию 20.08.2010Институт проблем материаловедения
им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев
ННЦ “Харьковский физико-технический институт”
A.V. Koroteev, S.Yu. Sayenko, V. A. Kotenko, N.D. Bega, L. M. Udovenko
Production technology, structure formation, and some properties of
composite ceramics of the W2B5−TiB2−B4C system
We investigated the properties, regularities of the phase- and structure-formations and the strength
characteristics of composite ceramics of the W2B5−TiB2−B4C system. The promising technology of
the reaction hot-pressing with the possibility of replacing up to 50% of metal borides in the starting
material by a cheap blend containing the appropriate metals, oxides, and boron carbide. Chemical
reactions during the sintering of ceramics activate the consolidation and can significantly lower the
temperature of hot pressing, which decreases the cost of finished products while maintaining their
strength properties.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №2 89
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-37219 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T11:22:06Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Коротеев, А.В. Саенко, С.Ю. Котенко, В.А. Бега, Н.Д. Удовенко, Л.М. 2012-09-30T16:19:47Z 2012-09-30T16:19:47Z 2011 Технология получения, структурообразование и некоторые свойства композиционной керамики системы W2B5–TiB2–B4C / А.В. Коротеев, С.Ю. Саенко, В.А. Котенко, Н.Д. Бега, Л.М. Удовенко // Доп. НАН України. — 2011. — № 2. — С. 84-89. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/37219 621.762 Досліджено властивості, закономірності фазо- та структуроутворення і міцнісні характеристики композиційної кераміки системи W2B5–TiB2–B4C. Показана перспективність технології реакційного гарячого пресування, яка дає можливість замінити до 50% боридів металів у вихідній шихті на більш дешеві шихти, що містять відповідні метали, оксиди і карбід бору. Хімічні реакції при спіканні активують консолідацію кераміки і дозволяють істотно знизити температуру гарячого пресування, що значно здешевлює вартість кінцевих виробів при збереженні їх міцнісних властивостей. We investigated the properties, regularities of the phase- and structure-formations and the strength characteristics of composite ceramics of the W2B5–TiB2–B4C system. The promising technology of the reaction hot-pressing with the possibility of replacing up to 50% of metal borides in the starting material by a cheap blend containing the appropriate metals, oxides, and boron carbide. Chemical reactions during the sintering of ceramics activate the consolidation and can significantly lower the temperature of hot pressing, which decreases the cost of finished products while maintaining their strength properties. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Матеріалознавство Технология получения, структурообразование и некоторые свойства композиционной керамики системы W2B5–TiB2–B4C Production technology, structure formation, and some properties of composite ceramics of the W2B5–TiB2–B4C system Article published earlier |
| spellingShingle | Технология получения, структурообразование и некоторые свойства композиционной керамики системы W2B5–TiB2–B4C Коротеев, А.В. Саенко, С.Ю. Котенко, В.А. Бега, Н.Д. Удовенко, Л.М. Матеріалознавство |
| title | Технология получения, структурообразование и некоторые свойства композиционной керамики системы W2B5–TiB2–B4C |
| title_alt | Production technology, structure formation, and some properties of composite ceramics of the W2B5–TiB2–B4C system |
| title_full | Технология получения, структурообразование и некоторые свойства композиционной керамики системы W2B5–TiB2–B4C |
| title_fullStr | Технология получения, структурообразование и некоторые свойства композиционной керамики системы W2B5–TiB2–B4C |
| title_full_unstemmed | Технология получения, структурообразование и некоторые свойства композиционной керамики системы W2B5–TiB2–B4C |
| title_short | Технология получения, структурообразование и некоторые свойства композиционной керамики системы W2B5–TiB2–B4C |
| title_sort | технология получения, структурообразование и некоторые свойства композиционной керамики системы w2b5–tib2–b4c |
| topic | Матеріалознавство |
| topic_facet | Матеріалознавство |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/37219 |
| work_keys_str_mv | AT koroteevav tehnologiâpolučeniâstrukturoobrazovanieinekotoryesvoistvakompozicionnoikeramikisistemyw2b5tib2b4c AT saenkosû tehnologiâpolučeniâstrukturoobrazovanieinekotoryesvoistvakompozicionnoikeramikisistemyw2b5tib2b4c AT kotenkova tehnologiâpolučeniâstrukturoobrazovanieinekotoryesvoistvakompozicionnoikeramikisistemyw2b5tib2b4c AT begand tehnologiâpolučeniâstrukturoobrazovanieinekotoryesvoistvakompozicionnoikeramikisistemyw2b5tib2b4c AT udovenkolm tehnologiâpolučeniâstrukturoobrazovanieinekotoryesvoistvakompozicionnoikeramikisistemyw2b5tib2b4c AT koroteevav productiontechnologystructureformationandsomepropertiesofcompositeceramicsofthew2b5tib2b4csystem AT saenkosû productiontechnologystructureformationandsomepropertiesofcompositeceramicsofthew2b5tib2b4csystem AT kotenkova productiontechnologystructureformationandsomepropertiesofcompositeceramicsofthew2b5tib2b4csystem AT begand productiontechnologystructureformationandsomepropertiesofcompositeceramicsofthew2b5tib2b4csystem AT udovenkolm productiontechnologystructureformationandsomepropertiesofcompositeceramicsofthew2b5tib2b4csystem |