8.2. Розробка способу одержання композиційного надтвердого матеріалу на основі кубічного нітриду бору.

Результати досліджень контактної і фізико-хімічної взаємодії BN_сф з Al, умов реакційного спікання полікристалів BN_сф, механізмів формування структури і фізико-механічних властивостей полікристалів покладено в основу розробки способу одержання полікристалів КНБ шляхом здійснення процесу спікання за дві стадії (див. розд. 5, 7)

Спосіб спікання полікристалічного матеріалу на основі кубічного нітриду бору полягає у спіканні шихти, що містить кубічний нітрид бору і алюміній, при високих тиску і температурі, відрізняється тим, що спікання при високих тиску і температурі проводять у дві стадії.

На першій стадії при тиску 0,1-3,9 ГПа шихту нагрівають до температури 970-1420 К, витримують на протязі 0,2 – 3,0 хв. На другій стадії тиск підвищують до 4-8 ГПа, температуру - до 1500-2100 К і витримують на протязі 0,5-60 хв [257].

На рис. 8.1 в р,Т-координатах показана діаграма спікання порошків КНБ з алюмінієм в дві стадії [132, 257].

Перша стадія – попереднє просочення під тиском в області [І], обмеженою лініями плавлення алюмінію (1), кристалізації з розплаву нітриду і боридів алюмінію (2) і утворення закритої пористості (3).

Друга стадія остаточне спікання в області [ІІ], обмеженою лініями початку кристалізації з розплаву нітриду і боридів алюмінію (2) і фазового перетворення BN_сфBN_г (4).

Спосіб спікання з попереднім просоченням під тиском дозволив значно знизити р,Т-параметри отримання композитів у порівнянні з одностадійним спіканням (область [ІІІ] ).

При двохстадійному спіканні, незважаючи на нижчі р,Т-параметри остаточної його стадії, утворюється структура неперервного каркасу з рівномірно розподіленою звязкою, оптимізується склад і структура звязки, відбувається дисперсне зміцнення нітриду алюмінію вищими боридами алюмінію. Такі структурні зміни поруч з іншими факторами забезпечують високі значення твердості і тріщиностійкості (див. розд. 7).

За розробленим способом з використанням шихти, описаної в роз. 8.1.1 можна одержувати композити КНБ типу киборит-2 складу КНБ - нітрид алюмінію, а з використанням шихти, описаної в розд. 8.1.2 – композити КНБ типу киборит-3 складу КНБ – карбід титану - нітрид алюмінію.

8.3. Композиційний надтвердий матеріал на основі кубічного нітриду бору – киборит

При створенні надтвердого композиційного матеріалу киборит-2 були застосовані принципи створення матеріалу киборит-1, тобто структура неперервного каркасу КНБ, реакційне спікання з алюмінієм.

Таблиця 8.3

Залежність електропровідності та теплопровідності композитів кнб від складу шихти для спікання.

№	Склад шихти, об.%				Властивості матеріалу
	КНБ, об.%	TiC, об.%	Al, об.%	КНБ/Al	1/R, Ом-1м-1	, Втм-1К-1
1	70,4	20	9,6	7,3	(0,450,15)106	685
2	77,4	10	12,6	6,1	(0,20,1)106	724
3	67,5	25	7,5	9	(0,50,1)106	505
4	65,7	27	7,3	9	(0,60,1)106	455
5	81,7	5	13,3	6,1	(0,50,2)102	705
6	75,0	10	15,0	5	(0,20,1)106	405
7	82,7	9	8,3	10	(0,20,1)104	466
8	95	4	1	95	(0,50,25)102	484

Рис. 8.1 Область р,Т-параметрів спікання полікристалів КНБ.

1 – р,Т-лінія плавлення Al; 2 – р,Т-лінія початку утворення кераміки на основі AlN; 3 – р,Т-лінія початку утворення закритої пористості; 4 – р,Т-лінія фазового переходу BN_сфBN_г.

[І] – область просочення; [ІІ] – область спікання після просочення (киборит-2, киборит 3); [ІІІ] – область спікання кибориту-1 (без просочення).

Відмінність полягала в такому керуванні р,Т-параметрами спікання, що забезпечувало збільшення поверхні контакту "КНБ - інша фаза" при зберіганні в структурі неперервного каркасу КНБ. Таке формування структури закладається на початковій стадії спікання при порівняно невисоких р,Т-параметрах, коли існує відкрита пористість, просочення здійснюється під дією зовнішнього гідростатичного тиску і ще не почалося хімічна взаємодія між КНБ і алюмінієм.

Попереднє формування структури при невисоких р,Т-параметрах дозволило знизити параметри заключної стадії спікання.

При спіканні порошків КНБ без алюмінію і інших добавок в області р,Т-параметрів (II) (див. рис. 8.1) зростали густина і твердість полікристалів КНБ, проте необхідний рівень цих властивостей ще не досягався.

При одностадійному реакційному спіканні шихти, що містить КНБ і 2 мас. %Al в області р,Т-параметрів (II) (див. рис. 8.1) спостерігали значний розбіг в рівні твердості і тріщиностійкості композитів, а також достатньо високу залишкову пористість (до 3%).

Збільшення вмісту Al в шихті до 10 мас. % при одностадійному спіканні в області (III) (див. рис. 8.1) не могло суттєво покращити умови просочення, так як при високих р,Т-параметрах некерований інтенсивний ріст контактів "КНБ-КНБ" і некерована кінетика фізико-хімічної взаємодії в зоні контактів "КНБ-інша фаза" приводило до утворення закритої пористості і нерівномірному розподілу зв’язки в структурі композиту.

При двостадійному спіканні шихти з 10 мас. %Al в області (I) здійснюється просочення під тиском і попереднє формування макроструктури, так що на заключній стадії (II) спікання процес фізико-хімічної взаємодії здійснюється в об’ємі пресовки з уже сформованою макроструктурою, яка визначає майбутній рівномірний розподіл фаз.