7.4. Твердість композитів, одержаних при твердофазному спіканні порошків кнб і тугоплавких сполук

Еволюцію структури і фазового складу полікристалів, одержаних при спіканні порошків КНБ з TiC, TiN, TiCN, AlN описано в розд. 6, і частково в розд. 5.4. Одним з висновків цих досліджень це те, що основний механізм спікання порошків BN_сф без добавок і з добавками порошків TiC, TiN, AlN це пластична течія. Температурні інтервали, де вона найбільш інтенсивна, при спіканні чистих порошків BN_сф і при спіканні шихти з добавками тугоплавких сполук співпадають. На рис. 7.16 показана розрахована адитивна залежність твердості композиту BN_сф-AlN від вмісту компонент в ньому і відзначено відхилення від адитивної залежності в сторону зменшення твердості для експериментальних зразків таких композитів.

Експериментальні дані по твердості полікристалів, спечених з порошку КНБ марки КМ 7/5 з добавками тугоплавких сполук ТіС, TiN, AlN, та одержаних при реакційному спіканні з Al приведені на рис. 7.20 (точки 6-12). На цьому ж рисунку приведені розрахована твердість для композитів BN-TiC, BN-TiN, BN-AlN (лінії 1-3), та полікристалів, одержаних реакційним спіканням шихти КМ7/5 + 10% Al для двох випадків, з утворенням бориду AlB₂ (точка 4) та AlB₁₂ (точка 5). Температура спікання композитів 2300 К, тиск – 7,7 ГПа. Як видно з рис. 7.20, експериментальні значення в усіх випадках нижчі розрахункових. Проте для полікристалів складу BN_сф-AlN у випадку реакційного спікання з алюмінієм твердість значно вища, ніж для випадку твердофазного спікання при тих же умовах (див. точки 6-8 на рис. 7.20).. Те ж саме можна сказати і про спікання в системі BN_сф-TiC та BN_сф-TiC-Al, в останньому випадку навіть при меншому вмісті BN_сф твердість полікристалу значно вища (див. точки 11 і 12 на рис. 7.20).

Тиск спікання є надзвичайно важливим фактором впливу на твердість полікристалів. На рис. 7.13 показана залежність від тиску спікання для випадку реакційного спікання BN_сф з алюмінієм при температурі 1750 К. В даному випадку (див. рис. 7.13) одержані порівняно високі значення тиску завдяки відсутності пор в полікристалі і фаз з низькою міцністю (в даному випадку BN_г). При спіканні без добавок алюмінію при такій температурі (1750 К) твердість полікристалу навіть при тиску спікання 7,7 ГПа дуже низька, менша 15 ГПа (див. рис. 7.10), при тиску спікання 4,2 ГПа твердість таких полікристалів біля 10 ГПа. Збільшення тиску спікання вище 6 ГПа призводить до значного збільшення твердості при температурах спікання вище 2100 К завдяки тому, що при таких параметрах уже проходить фазове перетворення графітоподібного гексагонального нітриду бору в сфалеритний. Це актуально для полікристалів, одержаних при твердофазовому спіканні BN_сф без добавок і з добавками тугоплавких сполук (AlN, TiC, TiN, TiCN), бо саме в таких полікристалах на ранніх стадіях спікання утворюється графітоподібний гексагональний нітрид бору.

При реакційному спіканні з алюмінієм графітоподібний нітрид бору в інтервалі температур спікання до 2100 К не утворюється (див. рис. 7.13, 7.14, а також розд. 4.7), тому висока твердість в таких полікристалах формується вже при температурах спікання більше 1700 К і тисках більше 3 ГПа.

Температура 1750 К відповідає першому максимуму деформаційного зміцнення (див. рис. 7.1, 7.9) і саме вона є найбільш прийнятною для реакційного спікання порошків КНБ з алюмінієм. Подальше підвищення температури і тиску спікання веде до збільшення твердості, але воно незначне в порівнянні з таким при твердофазовому спіканні порошків КНБ без добавок і з добавками тугоплавких сполук.

В табл. 7.3 приведені дані по твердості композитів різного фазового складу, одержаних при умовах спікання двох визначених нами максимумах деформаційного зміцнення (1750 і 2300 К) і двох робочих тисках (4,2 ГПа і 7,7 ГПа, визначаються типом АВТ).

На відхилення твердості двохфазного матеріалу від правила суміші у першу чергу впливає будова границь зерен, а саме характер дислокацій, присутність атомів домішок і т.д. Створення твердого розчину кисню у підгратці азоту BN_сф є початковою стадією окислення, при подальшому збагаченню границь зерен киснем утворюється оксид бору (див. розд. 6).

При реакційному спіканні шихти BN_сф+Al в умовах існування рідкої фази алюміній зв’язує кисень і тому замість утворення твердого розчину B(N,O)_сф і оксиду B₂O₃ створюється більш стабільний оксид Al₂O₃ і твердий розчин Al у гратці BN_сф. Тому у композитах, що отримують спіканням шихти BN_сф + Al, твердість вище у порівнянні з твердістю композитів такого складу, але отриманих спіканням шихти BN_сф + AlN. Створення твердого розчину B(N,O)_сф і оксиду B₂O₃ по границях зерен може бути одною з причин значного відхилення твердості від розрахованої також і в композитах BN_сф-TiC, BN_сф-TiN BN_сф-TiCN.