МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ БОРА Российский патент 1996 года по МПК C01B35/04 C22C29/14 

Изобретение относится к неорганической химии и порошковой металлургии, в частности к соединениям титана с высоким содержанием бора, которые могут быть использованы в качестве износостойких, абразивных материалов и покрытий.

В системе Тi-B известны соединения: TiB, Ti₃B₄, TiB₂, Ti₂B₅ [1] Для моноборида TiB (18,43 мас. бора) описаны две модификации одна ромбическая (структурный тип FeB) с параметрами: а=6,12 , b=3,06 , с 4,56 , вторая кубическая с параметром элементарной ячейки а=4,24±0,02.

Борид Ti₃B₄ (23,13 мас. бора) имеет ромбическую структуру с параметрами решетки: а=3,259 , b=13,77 , с=3,042 .

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

Микротвердость известных материалов не превышает 2500 кг/мм², а абразивная способность не определена.

Соединение TiB₁₂ кристаллизуется в гексагональной сингонии, структурный тип AlB₁₂. Параметры элементарной ячейки: а=10,26 , с=14,41 [3]
Фаза TiB₁₂ наиболее близка по составу к заявляемому материалу, имеет высокую микротвердость H_μ3800-4000 кг/мм², однако абразивные свойства этого соединения не изучены.

Наиболее близким к заявляемому является диборид титана TiB₂ (31,1 мас. бора). TiB₂ кристаллизуется в гексагональной сингонии (структурный тип AlB₂). Периоды решетки: а=3,028 , с=3,228 . Диборид титана имеет высокую микротвердость H_μ3400 кг/мм² и обладает абразивными свойствами, превышающими абразивную способность электрокорундов различных марок.

Целью изобретения является повышение твердости и абразивной способности материала.

Цель достигается тем, что предлагаемый материал содержит компоненты в следующем соотношении, мас. Титан 1-5 Бор 95-99 и представляет собой совокупность кристаллов, кристаллизующихся в кубической сингонии с параметром элементарной ячейки а=23,575 .

Главными отличительными признаками предлагаемого материала по сравнению с прототипом являются повышенное содержание бора и особенности структуры, что позволяет повысить его твердость и абразивную способность.

С увеличением содержания бора в боридах и с усложнением структурных образований из атомов бора эволюции все более упрочняющихся борных связей начинают играть основную роль.

Усложнение структурных элементов из атомов бора, наблюдающееся при переходе от низших к высшим, приводит к возрастанию жесткости кристаллической решетки в ряду
Ме₄В-Ме₃В₂-МеВ-Ме₃В₄-МеВ₂, в этом же направлении увеличивается температура плавления, возрастает стойкость против окисления, механическая прочность.

Но не для всех боридов одного и того же металла указанная общая тенденция повышения уровня физических и механических характеристик всегда выполняется. Так, для боридов титана максимальную температуру плавления имеет диборид титана (3225^оС), а бориды с большим содержанием бора имеют температуру плавления ниже (Ti₂B₅ 3000^оС).

Предлагаемый материал получают в режиме горения из порошков титана и аморфного бора, которые смешивают в соотношении (ат.) Тi:B=1:100, прессуют в виде таблетки, которую помещают в экзотермическую смесь, состоящую из титана и бора, взятых в соотношении (ат.) Тi:B=1:2. Смеси помещают в керамическую емкость и устанавливают в реактор, инициируют горение в инертной среде при Р_Ar= 4-5 атм. После прохождения волны горения сбрасывают давление и после охлаждения продуктов синтеза последние извлекают из реактора.

Идентификацию соединения проводили с помощью рентгенофазового, металлографического, микрорентгеноспектрального анализов. Содержание титана в синтезированных продуктах определяли с помощью микроанализатора "Саmeca". Поскольку рентгеноспектральный анализ не позволяет определить количество бора в соединениях из-за поглощения его излучения, содержание бора определяли по разности.

Уменьшение содержания бора в шихте приводит к появлению в продуктах синтеза соединений типа TiB₁₂, Ti₂B₅, микротвердость и абразивные свойства которых либо ниже, либо не изучены.

Увеличение содержания бора приводит к образованию твердого раствора титана в боре.

П р и м е р. Для получения материала на основе бора, содержащего титан, TiB_≈100 мелкодисперсные порошки титана (99,90 мас.) и черного аморфного бора (99,50 мас.) смешивают в соотношении Ti:B=1:(90-100). Смеси прессуют в виде цилиндров диаметром 15 мм и высотой 15-20 мм с относительной плотностью 0,5. Прессовки предварительно отжигают в вакуумной печи при 650^оС 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 1:2. Химическую печь с образцами помещают в реактор и инициируют горение. Синтез проводят в среде аргона при давлении 4-5 атм. После прохождения волны горения и остывания продуктов их извлекают из реактора.

По данным рентгенофазового и металлографического анализов полученный продукт состоит из кристаллов TiB _≈100. Химический состав полученного соединения определяли с помощью микрорентгено- спектрального анализа. Содержание титана в продукте составляет 95-99 мас. бор определяли по разности. Микротвердость кристаллов составляет 5000 кг/мм². Абразивная способность продукта сравнивалась с абразивной способностью диборида титана и приводилась в соответствие с абразивной способностью электрокорунда белого. Абразивная способность TiB₁₀₀ в 1,3 раза выше абразивной способности TiB₂. Кристаллы TiB₁₀₀ имеют кубическую сингонию с параметром элементарной ячейки, равным а= 23,575 ± 0,25 .

Другие примеры приведены в табл. 1.

Данные по микротвердости и абразивной способности приведены в табл. 2.

Результаты индицирования приведены в табл. 3.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к соединениям титана с высоким содержанием бора, которые могут быть использованы в качестве износостойких, абразивных материалов и покрытий. Новый материал на основе бора обеспечивает повышенную по сравнению с другими боридами твердость и абразивную способность. Содержание, мас. %: титан 1 - 5; бор 95 - 99. Материал на основе бора состоит из кристаллов, кристаллизующихся в кубической сингонии с параметром элементарной ячейки 3 табл.

Материал на основе бора, содержащий титан, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Титан 1 5
Бор 95 99
и состоит из кристаллов, имеющих кубическую сингонию, с параметром элементарной ячейки