Материал на основе боридов титана

 

Изобретение относится к неорганической химии и порошковой металлургии, в частности к сложным (композиционным) поликристаллическим материалам системы Ti-B, которые могут быть использованы в качестве износостойких и абразивных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что материал содержит различающиеся по составу и структуре компоненты в следующем соотношении, мас.%: TiB_~55 - 1-99, TiB_~100 - 99-1 и представляет собой гетерофазный материал, состоящий из твердых и обладающих высокими абразивными свойствами кристаллов TiB_~100 , расположенных в более мягкой, но более пластичной матрице TiB_~55 . Борид TiB_~55 состоит из кристаллов полиэдрической формы, имеющих гексагональную сингонию с параметрами элементарной ячейки а = 11,78 ± 0,005 , с = 23,43 ± 0,005 , при следующем соотношении компонентов, мас.%: титан - 7 - 8, бор - 92 - 93. 3 табл.

Изобретение относится к неорганической химии и порошковой металлургии, в частности к сложным (композиционным) поликристаллическим материалам системы Ti-B, которые могут быть использованы в качестве износостойких и абразивных материалов.

В системе Ti-B известны соединения: TiB, Ti₃B₄, TiB₂, Ti₂B₅ [1] TiB_~100 [2].

Моноборид TiB (18,43 мас.% бора) кристаллизуется в двух модификациях: ромбической (структурный тип FeB) с параметрами a = 6,12 , b = 3,06 , c = 4,56 и кубической с параметром элементарной ячейки a = 4,24 ± 0,02 [3].

Борид Ti₃B₄ (23,13 мас.% бора) имеет ромбическую структуру с параметрами решетки: а = 3,25 , b = 13,77 , c = 3,042 .

Борид Ti₂B₅ кристаллизуется в гексагональной сингонии (структурный тип W₂B₅) с параметрами решетки: a = 2,98 , c = 13,98 .

Диборид титана TiB₂ (31,1 мас.% бора) кристаллизуется в гексагональной сингонии (структурный тип AlB₂) с периодами решетки a = 3,028 , c = 3,228 . Диборид титана имеет высокую микротвердость H_μ = 3400 кг/мм² и обладает высокими абразивными свойствами [4].

Додекаборид титана TiB₁₂ кристаллизуется в гексагональной сингонии (структурный тип AlB₁₂) и имеет следующие параметры элементарной ячейки: a = 10,26 , c = 14,41 [5]. Соединение TiB₁₂ имеет высокую микротвердость H_μ = 3800-4000 кг/мм², однако абразивные свойства этого соединения не изучены.

Наиболее близким соединением к изобретению по технической сущности и свойствам является высокобористое соединение TiB_~100, кристаллизующееся в кубической сингонии с параметром элементарной ячейки a = 23,575 . Соединение TiB_~100 имеет высокую микротвердость H_μ ≈ 5000 кг/мм² и абразивную способность, в 1,3 раза превышающую абразивную способность TiB₂ [2].

Задачей изобретения является повышение абразивной способности и пластичности материала.

Задача решается тем, что предлагаемый материал содержит различающиеся по составу и структуре компоненты в следующем соотношении, мас.%: TiB_~55 - 1-99 TiB_~100 - 99-1 и представляющих собой гетерофазный материал, состоящий из твердых и, обладающих высокими абразивными свойствами кристаллов TiB_~100, расположенных в более мягкой, но более пластичной матрице TiB_~55.

Соединение TiB_~55, содержащее компоненты в массовом соотношении Ti - 7-8, B - 92-93, кристаллизуется в гексагональной сингонии (структурный тип CrB_~45) и имеет следующие параметры элементарной ячейки: a = 11,78±0,005 , c = 23,45-0,005 . Микротвердость TiB_~55, измеренная на приборе ПТМ-3, составляет H_μ≈4500 кг/мм². Соединение ΤiB_~55 характеризуется большей по сравнению с ΤiB_~100 пластичностью: балл хрупкости TiB_~100 равен 3, а для TiB_~55 - 1.

Главным отличительным признаком предлагаемого материала по сравнению с прототипом (высокобористым соединением TiB_~100) является особенность структуры, заключающаяся в том, что твердые и обладающие высокими значениями твердости и высокими абразивными свойствами кристаллы TiB_~100 расположены в более пластичной матрице TiB_~55/ . Такая структурная особенность предлагаемого материала позволяет получить новое качество, а именно повысить пластичность и абразивную способность материала в целом, поскольку каждое соединение в отдельности не обеспечивает требуемых свойств.

Предлагаемый материал получают в режиме горения из порошков титана и аморфного бора, которые смешивают в соотношении, мас.% Ti:B = (4-8):(92-96), прессуют в виде таблетки и помещают в экзотермическую смесь, состоящую из титана и бора, взятых в молярном соотношении Ti:B = 1:2 ("химическая печка"). Все это помещают в реактор и инициируют горение в инертной среде. После прохождения волны горения и остывания продуктов синтеза их извлекают из реактора.

Извлеченные из "химической печки" продукты исследовали с помощью рентгенофазного, металлографического, микрорентгеноспектрального дюрометрического анализов. Полученный продукт в зависимости от состава исходной шихты состоит из кристаллов TiB_~100 и TiB_~55 при следующем соотношении компонентов, мас. %: TiB_~100 - 1-99; TiB_~55 - 99-1. Материал характеризуется пластичностью и абразивной способностью, в (1,1-1,5) и в (1,03-1,5) раза превышающей соответствующие характеристики прототипа TiB_~100.

Увеличение содержания бора в шихте выше указанного значения, приводит к синтезу продукта, состоящего из кристаллов TiB_~100, характеризующихся высокой твердостью и абразивными свойствами, но низкой пластичностью.

Уменьшение содержания бора ниже указанного значения приводит к появлению в синтезируемом продукте эвтектических составляющих, имеющих более низкие значения микротвердости, что приводит к уменьшению твердости и абразивной способности материала в целом.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Для получения гетерофазного материала, состоящего из фаз TiB_~100 и TiB_~55, мелкодисперсные порошки титана (99,90 мас.%) и черного аморфного бора (99,50 мас. %) смешивают в соотношении (мас.%) Ti:B = 5,0 - 95,0. Смеси прессуют в виде цилиндров диаметром 15 мм и высотой 15-20 мм с относительной плотностью 0,6. Спрессованные образцы предварительно отжигают в вакуумной печи при температуре 650^oC в течение 2-3 ч для удаления влаги и борного ангидрида. Отожженные образцы помещают в "химическую печь", представляющую собой экзотермическую смесь титана и бора, взятых в соотношении Ti:B = 1:2. "Химическую печь" с образцами помещают в реактор и инициируют горение. Синтез осуществляют в среде аргона при давлении 4-5 атм. После прохождения волны горения и остывания продуктов их извлекают из реактора и анализируют.

По данным рентгенофазного и металлографического анализов полученный продукт состоит из кристаллов TiB_~100, расположенных в матрице TiB_~55. По данным качественной металлографии синтезированный продукт состоит из примерно 80 мас. % TiB_~100 и примерно 20 мас.% TiB_~55. Химический состав соединений определяют с помощью микрорентгеноспектрального анализа (определяют содержание титана, бор определяют по разнице), кристаллы TiB_~100 содержали 96 мас. % бора, а TiB_~55 - 92 мас.% бора. Микротвердость и микрохрупкость материала, состоящего из 80 мас.% TiB_~100 и 20 мас.% TiB_~55, составляет примерно 4900 кг/мм² и 2,4 соответственно. Относительная абразивная способность (по отношению к электрокорунду) - 3,62, что в 1,15 раз выше абразивной способности TiB_~100.

Поскольку соединение TiB_~55 ранее не было изучено, то с помощью рентгеноструктурных исследований проводили индицирование дифрактограмм, содержащих соединение TiB_~55, определяли сингонию и вычисляли параметры элементарной ячейки. Соединение TiB_~55 кристаллизуется в гексагональной сингонии с параметрами элементарной ячейки, равными a = 11,78±0,005 , c = 23,43±0,005 .

Другие примеры выполнения изобретения приведены в табл. 1.

Микромеханические и абразивные свойства заявляемого материала (оптимального состава) в сравнении с другими материалами приведены в табл. 2.

Результаты индицирования приведены в табл. 3.

Источники информации 1. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения. Справочник. - М. : Металлургия, 1976. - 557 с.

2. Материал на основе бора /Лепакова О.К., Расколенко Л.Г., Китлер В.Д, Максимов Ю. М. - Заявка N 94027768/02, Россия, кл. 6 C 01 B 35/04, C 22 C 29/14; Заявл. 25.07.91. Решение о выдаче патента от 05.01.95.

3. Бретцер-Портнов И.В., Пахолков В.В., Алямовский С.И., Зайнулин Ю.Г. К возможности образования кубического моноборида титана. - Ж. неорг. химии. - 1990. - т. 35, N 7. - С. 1690-1694.

4. Серебрякова Т. И., Неронов В.А., Пешева Г.Д. Высокотемпературные бориды. - М.: Металлургия, 1991. - 367 с.

5. Материал на основе бора: Пат. N 1770433, Россия, кл. 6 C 22 C 29/14, C 01 B 35/04 /Лепакова О.К., Расколенко Л.Г., Касацкий Н.Г. - N 4884618; заявл. 21.11.90; опубл. 23.10.92. Бюл. N 39.

Формула изобретения

Материал на основе боридов титана, отличающийся тем, что он содержит бориды титана в следующем соотношении, мас.%: TiB_~55 - 1 - 99 TiB_~100 - 99 - 1 причем борид TiB_~55 состоит из кристаллов полиэдрической формы, имеющих гексагональную сингонию с параметрами элементарной ячейки при следующем соотношении компонентов, мас.%: Титан - 7 - 8
Бор - 92 - 93

РИСУНКИ

Рисунок 1