Отримання надтвердих композитів у системі Салм—SiB₄—WC в умовах високих тисків та температур

Abstract

В умовах високого тиску (7,7 ГПа) та температури (1600—2200 °C) в апараті високого тиску типу “тороїд-30” досліджено процеси спікання алмазних мікропорошків у присутності тетрабориду кремнію (SiB₄) та карбіду вольфраму (WC). Експериментально показано, що добавок SiB₄ та WC у кількості 5 % об. кожного цілком достатньо для формування міцного алмазного композита, а процес реакційного спікання краще проводити в температурному інтервалі 1900—2000 °C з витримкою не більше 60 с. За даними XRD-аналізу, при температурах вище 1600 °C SiB₄ взаємодіє з алмазним вуглецем та WC, внаслідок чого утворюються фази β-SiC та W₂B₅, що розміщуються в міжзеренному просторі і які є зв'язуючими фазами алмазного композита. При температурах вище 2000 °C зафіксовано значну графітизацію алмазних зерен та, як наслідок, різке зниження фізико-механічних характеристик композита. Отриманий при 1950 °C матеріал характеризується низькою пористістю (~0,1 %), високою твердістю (HV10 = 62 ГПа), тріщиностійкістю (К1С = 9,7 МПа • м^1/2), модулем Юнга 820 ГПа та термостійкістю ~1100 °C.

В условиях высокого давления (7,7 ГПа) и температуры (1600—2200 °C) в аппарате высокого давления типа “тороид-30” изучены процессы спекания алмазных микропорошков в присутствии тетраборида кремния (SiB₄) и карбида вольфрама. Экспериментально показано, что добавок SiB₄ и WC в количестве 5 % об. каждого вполне достаточно для формирования прочного алмазного композита, а процесс реакционного спекания лучше проводить в температурном интервале 1900—2000 °C при выдержке не больше 60 с. Согласно данным XRD-анализа, при температурах выше 1600 °C тетраборид кремния взаимодействует с алмазным углеродом и WC, в результате чего образуются фазы β-SiC и W₂B₅, которые сосредоточены в межзёренном пространстве и являются связующими фазами алмазного композита. При температурах выше 2200 °C зафиксирована значительная графитизация алмазных зёрен и, как следствие, резкое падение физико-механических характеристик композита. Полученный при 1950 °C материал характеризуется низкой пористостью (~0,1 %), высокой твёрдостью (HV10 = 62 ГПа), трещиностойкостью (К1С = 9,7 МПа • м^1/2), модулем Юнга 820 ГПа и термостойкостью ~1100 °C.

Under conditions of high pressures (7.7 GPa) and temperatures (1600-2200 °C) in a high-pressure apparatus of the “toroid-30” type, sintering of diamond micropowders in the presence of silicon tetraboride (SiB₄) and tungsten carbide is studied. It is experimentally shown that SiB₄ and WC additives in the amount of 5 % by volume each are quite sufficient for the formation of a durable diamond composite, and the reaction sintering process is best carried out in the temperature range 1900-2000 °C with an exposure time of no more than 60 sec. According to the XRD analysis, it is shown that, at temperatures above 1600 °C, silicon tetraboride interacts with diamond carbon and WC, resulting in the formation of β-SiC and W₂B₅ phases, which are concentrated in the intergranular space and are the connecting phases of the diamond composite. At temperatures above 2200 °C, the significant graphitization of diamond grains is recorded, and, as a consequence, a sharp drop in the physicomechanical characteristics of the composite is observed. The material obtained at 1950 C is characterized by low porosity (~ 0.1%), high hardness (HV10 = 62 GPa), crack resistance (К1С = 9,7 МПа • м^1/2), Young’s modulus equal to 820 GPa, and heat resistance ~1100 °C.