RU2484059C2 - Boron suboxide-based composite material - Google Patents

Boron suboxide-based composite material Download PDF

Info

Publication number
RU2484059C2
RU2484059C2 RU2009143562/03A RU2009143562A RU2484059C2 RU 2484059 C2 RU2484059 C2 RU 2484059C2 RU 2009143562/03 A RU2009143562/03 A RU 2009143562/03A RU 2009143562 A RU2009143562 A RU 2009143562A RU 2484059 C2 RU2484059 C2 RU 2484059C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
composite material
oxides
material according
boron suboxide
boron
Prior art date
Application number
RU2009143562/03A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009143562A (en
Inventor
Антони ЭНДРЬЮС
Яковос СИГАЛАС
Матиас ХЕРРМАНН
Original Assignee
Элемент Сикс (Продакшн) (Пти) Лтд
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from GB0711773A external-priority patent/GB0711773D0/en
Priority claimed from GB0802949A external-priority patent/GB0802949D0/en
Application filed by Элемент Сикс (Продакшн) (Пти) Лтд filed Critical Элемент Сикс (Продакшн) (Пти) Лтд
Priority claimed from PCT/IB2008/051587 external-priority patent/WO2008132674A2/en
Publication of RU2009143562A publication Critical patent/RU2009143562A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2484059C2 publication Critical patent/RU2484059C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: composite material contains boron suboxide and a second phase which contains a mixture of at least two metal oxides, neither of which is a boron-containing oxide. At least one of the oxides can be selected from a group comprising oxides of group IIA, IIIA and IVA elements. Also, at least one of the oxides can be a rare-earth metal oxide selected from a group comprising oxides of scandium, yttrium and lanthanide elements. The second phase of the composite material can also contain a boride and particularly a boride selected from a group comprising borides of group IV-VIII transition metals. To produce the composite material, boron suboxide grains are mixed with metal oxides and the reaction mass is sintered at temperature of 1740-1900°C and pressure of 200 MPa.
EFFECT: improved crack resistance of the composite material.
22 cl, 13 ex, 1 tbl, 5 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к композиционному материалу на основе субоксида (низшего оксида) бора.The invention relates to a composite material based on boron suboxide (lower oxide).

Уровень техникиState of the art

Создание синтетических сверхтвердых материалов со значениями твердости, приближающимися к значениям твердости алмаза или даже превышающими их, представляет большой интерес для материаловедов. Алмаз с твердостью по Виккерсу от 70 до 100 ГПа является самым твердым из известных материалов, за ним следуют кубический нитрид бора (HV /твердость по Виккерсу/ примерно 60 ГПа) и субоксид бора, именуемый здесь B6O. Для монокристаллов B6O под нагрузкой 0,49 Н и 0,98 Н определены значения твердости соответственно 53 ГПа и 45 ГПа, аналогичные значениям твердости кубического нитрида бора [9].The creation of synthetic superhard materials with hardness values approaching or even exceeding the hardness of diamond is of great interest to material scientists. Diamond with a Vickers hardness of 70 to 100 GPa is the hardest material known, followed by cubic boron nitride (H V / Vickers hardness / approximately 60 GPa) and boron suboxide, referred to here as B 6 O. For single crystals of B 6 O under a load of 0.49 N and 0.98 N, hardness values of 53 GPa and 45 GPa, respectively, are determined, similar to hardness values of cubic boron nitride [9].

Известно, что B6O может быть также нестехиометрическим, т.е. может существовать в виде B6O1-x (где x находится в пределах 0-0,3). Такие нестехиометрические формы включены в определение B6O. Прочные ковалентные связи и небольшая длина межатомной связи у этих материалов способствуют их исключительным физическим и химическим характеристикам, таким как большая твердость, низкая (массовая) плотность, высокая удельная теплопроводность, высокая химическая инертность и превосходная износостойкость [1, 2]. В патенте US 5330937 (Ellison-Hayashi и др.) сообщалось об образовании порошков субоксида бора с номинальным составом B3O, B4O, В6О, B7O, B8O, B12O, B15O и B18O. Потенциальные области промышленного применения рассмотрены в патенте Японии 7034063 (Kurisuchiyan и др.) и в патенте US 5456735 (Ellison-Hayashi и др.) и включают использование в шлифовальных (точильных) кругах, абразивах и режущих инструментах.It is known that B 6 O can also be non-stoichiometric, i.e. can exist in the form of B 6 O 1-x (where x is in the range 0-0.3). Such non-stoichiometric forms are included in the definition of B 6 O. The strong covalent bonds and the short interatomic bond length of these materials contribute to their exceptional physical and chemical characteristics, such as high hardness, low (mass) density, high thermal conductivity, high chemical inertness and excellent wear resistance [12]. US Pat. No. 5,330,937 (Ellison-Hayashi et al.) Reported the formation of boron suboxide powders with a nominal composition of B 3 O, B 4 O, B 6 O, B 7 O, B 8 O, B 12 O, B 15 O and B 18 O. Potential industrial applications are discussed in Japanese Patent No. 7034063 (Kurisuchiyan et al.) And US Pat. No. 5,456,735 (Ellison-Hayashi et al.) And include use in grinding (grinding) wheels, abrasives and cutting tools.

Для получения субоксида бора используются несколько технологий, причем они включают такие способы, как взаимодействие элементарного бора (B) с оксидом бора (B2O3) в условиях достаточно высокого давления и высокой температуры [1]. В патенте US 3660031 (Holcombe Jr. и др.) упоминаются другие способы получения субоксидов бора, например путем восстановления оксида бора (B2O3) магнием или путем восстановления оксида цинка элементарным бором. Однако каждый из этих известных способов имеет недостатки, которые тормозят возможность применения этого материала в промышленности. Например, при восстановлении B2O3 магнием получают твердый раствор магния и загрязняющие примеси борида магния в субоксиде, тогда как восстановление оксида магния бором дает лишь сравнительно небольшой выход субоксида бора и является весьма неэффективным. В патенте US 3660031 (Holcombe Jr. и др.) раскрывается получение B7O путем восстановления оксида цинка элементарным бором при температурах 1200°C-1500°C. Сообщается, что значение твердости у этого материала под нагрузкой 100 г составляет 38,2 ГПа, а плотность - 2,6 г·см-3. Трещиностойкость (вязкость разрушения) этого материала не рассматривается.Several technologies are used to produce boron suboxide, and they include methods such as the interaction of elemental boron (B) with boron oxide (B 2 O 3 ) under conditions of sufficiently high pressure and high temperature [1]. US Pat. No. 3,660,031 (Holcombe Jr. et al.) Mentions other methods for producing boron suboxides, for example by reducing boron oxide (B 2 O 3 ) with magnesium or by reducing zinc oxide with elemental boron. However, each of these known methods has disadvantages that inhibit the possibility of using this material in industry. For example, in the reduction of B 2 O 3 with magnesium, a solid solution of magnesium and contaminants of magnesium boride in the suboxide are obtained, while the reduction of magnesium oxide with boron gives only a relatively small yield of boron suboxide and is very ineffective. US Pat. No. 3,660,031 (Holcombe Jr. et al.) Discloses the preparation of B 7 O by reduction of zinc oxide by elemental boron at temperatures of 1200 ° C.-1500 ° C. It is reported that the hardness value of this material under a load of 100 g is 38.2 GPa, and the density is 2.6 g · cm -3 . Crack resistance (fracture toughness) of this material is not considered.

Petrak и др. [3] исследовали механические и химические характеристики B6O горячего прессования и представили значения микротвердости 34-38 ГПа. В патенте US 5330937 (Ellison-Hayashi и др.) раскрывается получение B6O с добавлением магния (приблизительно 6%), что дало средние значения твердости по Кнупу (англ. KHN100) 34-36 ГПа.Petrak et al. [3] investigated the mechanical and chemical characteristics of hot pressed B 6 O and presented microhardness values of 34–38 GPa. US Pat. No. 5,330,937 (Ellison-Hayashi et al.) Discloses the production of B 6 O with the addition of magnesium (approximately 6%), which yields average Knoop hardness (KHN 100 ) of 34-36 GPa.

Сделаны попытки улучшить механические свойства B6O, в первую очередь его трещиностойкость, путем создания композитов на основе B6O с другими твердыми материалами, такими как алмаз [4], карбид бора [5] и кНБ (кубический нитрид бора, англ. cBN) [6]. Композиты, содержащие алмаз и кНБ, создавали в условиях очень высокой температуры и давления. Цель заключалась в создании псевдобинарных систем композитов, более прочных на межзеренных границах (на границах зерен), чем системы из чистого B6O. Даже если для композитов регистрировали высокие значения твердости (Hv примерно 46 ГПа), значения трещиностойкости снова не превышали 1,8 МПа·м0,5. При этом наилучшее значение получили с композитами B6O-кНБ.Attempts have been made to improve the mechanical properties of B 6 O, primarily its crack resistance, by creating composites based on B 6 O with other solid materials such as diamond [4], boron carbide [5] and CBN (cubic boron nitride, English cBN ) [6]. Composites containing diamond and CBN were created under conditions of very high temperature and pressure. The goal was to create pseudobinary systems of composites that are more durable at grain boundaries (at grain boundaries) than systems made of pure B 6 O. Even if high hardness values ( Hv about 46 GPa) were recorded for composites, the crack resistance did not exceed 1 again. 8 MPa · m 0.5 . In this case, the best value was obtained with composites B 6 O-kNB.

В WO 2007/029102 и [7] (Shabalala и др.) раскрывается создание композитов на основе B6O с соединениями алюминия, что привело к образованию на межзеренной границе фазы бората алюминия. Трещиностойкость составила примерно 3,5 МПа·м0,5 при соответствующей твердости 29,3 ГПа. Фазы алюминия, присутствующие в композите, являются мягкими, и хотя они могут повысить трещиностойкость полученного композита, они не способствуют повышению твердости композита в целом. Кроме того, помимо кристаллического бората алюминия имело место образование химически нестойкой аморфной фазы, богатой оксидом бора, а также микропористости, что в дальнейшем приводит к уменьшению твердости [10, 11].WO 2007/029102 and [7] (Shabalala et al.) Disclose the creation of composites based on B 6 O with aluminum compounds, which led to the formation of an aluminum borate phase at the grain boundary. The crack resistance was approximately 3.5 MPa · m 0.5 with a corresponding hardness of 29.3 GPa. The aluminum phases present in the composite are soft, and although they can increase the crack resistance of the resulting composite, they do not contribute to an increase in the hardness of the composite as a whole. In addition, in addition to crystalline aluminum borate, a chemically unstable amorphous phase rich in boron oxide and microporosity was formed, which subsequently leads to a decrease in hardness [10, 11].

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

В соответствии с изобретением создан композиционный материал на основе субоксида бора, включающий субоксид бора и вторую фазу, причем вторая фаза содержит смесь по меньшей мере двух оксидов металлов, ни один из которых не является оксидом, содержащим бор.In accordance with the invention, a composite material based on boron suboxide comprising boron suboxide and a second phase, the second phase containing a mixture of at least two metal oxides, none of which is an oxide containing boron, is created.

В данном описании изобретения понятие "вторая фаза" обозначает все, что включает композиционный материал, кроме субоксида бора, причем она может быть полностью или частично кристаллической или аморфной и может включать две и более термодинамические фазы.In this description of the invention, the term "second phase" means everything that includes a composite material, except boron suboxide, moreover, it can be fully or partially crystalline or amorphous and can include two or more thermodynamic phases.

По меньшей мере один из оксидов может быть выбран из группы, включающей оксиды элементов из групп IA, IIA, IIIA и IVA периодической системы элементов Менделеева, и, в частности, он может быть выбран из группы, включающей Al2O3, SiO2, MgO, CaO, BaO и SrO.At least one of the oxides may be selected from the group consisting of oxides of elements from groups IA, IIA, IIIA and IVA of the periodic table of the periodic elements, and in particular, it may be selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, CaO, BaO, and SrO.

В первом варианте изобретения по меньшей мере одним из оксидов может быть оксид редкоземельного металла. Оксид редкоземельного металла может быть выбран из группы, включающей оксиды скандия, иттрия, что является предпочтительным, и элементов из ряда лантаноидов, а также может представлять собой смесь оксидов редкоземельных металлов.In a first embodiment of the invention, at least one of the oxides may be a rare earth metal oxide. The rare earth metal oxide can be selected from the group consisting of scandium, yttrium, which is preferred, and elements from the range of lanthanides, and may also be a mixture of rare earth oxides.

Кроме оксидов металлов, вторая фаза может включать также оксид, содержащий бор, например B2O3 или борат.In addition to metal oxides, the second phase may also include an oxide containing boron, for example B 2 O 3 or borate.

В первом предпочтительном варианте изобретения одним из оксидов является Al2O3, а другой оксид выбран из группы, включающей SiO2, MgO, CaO, BaO и SrO.In a first preferred embodiment of the invention, one of the oxides is Al 2 O 3 and the other oxide is selected from the group consisting of SiO 2 , MgO, CaO, BaO and SrO.

В еще одном предпочтительном варианте изобретения одним из оксидов является оксид редкоземельного металла, а другой оксид выбран из группы, включающей Al2O3, SiO2, MgO, CaO, BaO и SrO.In another preferred embodiment of the invention, one of the oxides is a rare earth metal oxide and the other oxide is selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, CaO, BaO and SrO.

Количество оксида, присутствующего в композиционном материале, предлагаемом в изобретении, изменяется в зависимости от требуемых свойств композита, в частности твердости и трещиностойкости, а также типа оксида. Как правило, смесь оксидов присутствует в количестве до 20 об.% композиционного материала. Что касается многих типов оксидов, то они обычно присутствуют в количестве до 10 об.% композиционного материала, а что касается других оксидов, то эти оксиды, как правило, присутствуют в количестве до 5 об.% композиционного материала.The amount of oxide present in the composite material of the invention varies depending on the desired properties of the composite, in particular hardness and crack resistance, as well as the type of oxide. Typically, a mixture of oxides is present in an amount up to 20% by volume of the composite material. As for many types of oxides, they are usually present in an amount of up to 10 vol.% Of the composite material, and as for other oxides, these oxides are usually present in an amount of up to 5 vol.% Of the composite material.

Кроме того, вторая фаза композиционного материала может содержать борид и, в частности, борид, выбранный из группы, включающей бориды переходных металлов четвертой-восьмой групп периодической системы элементов. При любом упоминании "борида" подразумевается моноборид, диборид и любой другой вид борида. В частности, борид может быть выбран из группы, включающей бориды железа, кобальта, никеля, титана, вольфрама, тантала, гафния, циркония, рения, молибдена и хрома. Это может быть также борид металла платиновой группы, предпочтительно, борид палладия. Твердые бориды, такие как TiB2, W2B5 и ReB2, могут присутствовать в композиционном материале в большем количестве, чем сравнительно мягкие бориды, например бориды, образовавшиеся из Fe, Ni и Co.In addition, the second phase of the composite material may contain boride and, in particular, boride selected from the group comprising transition metal borides of the fourth to eighth groups of the periodic system of elements. Any reference to "boride" means monoboride, diboride and any other type of boride. In particular, the boride can be selected from the group consisting of borides of iron, cobalt, nickel, titanium, tungsten, tantalum, hafnium, zirconium, rhenium, molybdenum and chromium. It may also be a platinum group metal boride, preferably palladium boride. Solid borides, such as TiB 2 , W 2 B 5, and ReB 2 , may be present in the composite material in greater amounts than relatively soft borides, for example borides formed from Fe, Ni, and Co.

Субоксид бора может быть в виде (макро)частиц или гранул. Сами частицы или гранулы субоксида бора в среднем предпочтительно являются мелкими и могут иметь размер в пределах от 100 нм до 100 мкм, предпочтительно, от 100 нм до 10 мкм.Boron suboxide may be in the form of (macro) particles or granules. The boron suboxide particles or granules themselves are on average preferably small and can have a size in the range of 100 nm to 100 μm, preferably 100 nm to 10 μm.

Мелкозернистый субоксид бора может быть получен, например, путем размалывания материала, являющегося источником субоксида бора. Если размалывание осуществляется в присутствии мелющего средства, содержащего железо или кобальт, то некоторое количество железа и (или) кобальта вводится в спекаемый материал. Что касается материала, не содержащего железа, то размолотый порошок можно промыть соляной кислотой или же размалывание можно осуществлять с использованием баков из оксида алюминия и мелющих шаров. Установлено, что для удаления некоторого избытка B2O3 или H3BO3 лучше промывать размолотый порошок в теплой воде или спиртах.Fine-grained boron suboxide can be obtained, for example, by grinding the material that is the source of boron suboxide. If grinding is carried out in the presence of a grinding agent containing iron or cobalt, then a certain amount of iron and (or) cobalt is introduced into the sintered material. As for the iron-free material, the milled powder can be washed with hydrochloric acid or the milling can be carried out using aluminum oxide tanks and grinding balls. It was found that to remove some excess of B 2 O 3 or H 3 BO 3 it is better to rinse the milled powder in warm water or alcohols.

Композиционный материал, предлагаемый в изобретении, включает субоксид бора, обычно в виде частиц или гранул, и вторую фазу в связанном, когерентном виде. Содержание второй фазы в объемных процентах предпочтительно меньше, чем содержание субоксида бора, и она равномерно (однородно) распределена в субоксиде бора. Вторая фаза может быть аморфной или частично кристаллической.The composite material proposed in the invention includes boron suboxide, usually in the form of particles or granules, and the second phase in a bound, coherent form. The content of the second phase in volume percent is preferably less than the content of boron suboxide, and it is evenly (uniformly) distributed in boron suboxide. The second phase may be amorphous or partially crystalline.

В изобретении предлагается композиционный материал, содержащий субоксид бора и смесь оксидов металлов, из которых по меньшей мере два оксида не содержат бор, и имеющий как высокую трещиностойкость, так и высокую твердость. В частности, этот композиционный материал обычно имеет трещиностойкость более 3,5 МПа·м0,5 в сочетании с твердостью по Виккерсу (Нv) более 25 ГПа. Трещиностойкость этого композита предпочтительно составляет более 3,5 МПа·м0,5, а более предпочтительно - по меньшей мере 4,0 МПа·м0,5 и еще более предпочтительно - по меньшей мере 5,0 МПа·м0,5. Трещиностойкость (KIC), о которой здесь говорится, измеряли при вдавливании индентора обычно с нагрузкой 5 кг. Для определения характеристик образцов B6O, рассмотренных ниже, использовали среднее значение из пяти полученных при измерениях. KIC определяли методом DCM, с помощью уравнения Анстиса (Anstis) [8]:The invention provides a composite material containing boron suboxide and a mixture of metal oxides, of which at least two oxides do not contain boron, and having both high crack resistance and high hardness. In particular, this composite material typically has a crack resistance of more than 3.5 MPa · m 0.5 in combination with a Vickers hardness (Hv) of more than 25 GPa. The crack resistance of this composite is preferably more than 3.5 MPa · m 0.5 , and more preferably at least 4.0 MPa · m 0.5, and even more preferably at least 5.0 MPa · m 0.5 . The crack resistance (K IC ) referred to herein was measured with an indenter indented, typically with a load of 5 kg. To determine the characteristics of the samples B 6 O, discussed below, used the average of five obtained from the measurements. K IC was determined by the DCM method using the Anstis equation [8]:

K C = δ ( E H ) 1 2 P c 3 2                      ( 1 )

Figure 00000001
K C = δ ( E H ) one 2 P c 3 2 ( one )
Figure 00000001

где E - модуль Юнга (модуль упругости), H - твердость, а δ - константа, которая зависит только от геометрии индентора. В этом уравнении для модуля Юнга использовали значение 470 ГПа. Для стандартного алмазного пирамидального индентора для определения твердости по Виккерсу Анстис и др. задали значение δ=0,016±0,004 в качестве калибровочной постоянной, которое использовалось также для этих измерений.where E is Young's modulus (elastic modulus), H is hardness, and δ is a constant that depends only on the indenter geometry. For this Young's modulus, 470 GPa was used. For a standard diamond pyramidal indenter, Vickers Anstis et al. Set the value δ = 0.016 ± 0.004 as the calibration constant, which was also used for these measurements.

Твердость композиционного материала предпочтительно составляет более 25 ГПа, а более предпочтительно - по меньшей мере 30 ГПа. Твердость по Виккерсу измеряли, прикладывая при вдавливании нагрузку 5 кг. Среднее значение из пяти измеренных значений твердости использовали для определения характеристик образцов композита на основе B6O.The hardness of the composite material is preferably more than 25 GPa, and more preferably at least 30 GPa. Vickers hardness was measured by applying a 5 kg load when pressed. The average of the five measured hardness values was used to characterize the samples of the composite based on B 6 O.

На фиг.1 показаны предпочтительные нижние пороговые величины в области значений твердости и трещиностойкости композиционных материалов, предлагаемых в настоящем изобретении, в сравнении с известными материалами на основе субоксида бора. Предполагается, что повышенная трещиностойкость этих видов композитов может быть обусловлена многими различными факторами, такими как изменение направления трещины вследствие создания внутренних напряжений, механизм остановки (блокировки) трещины, имеющий место в образовавшихся вторых фазах, и изменения в характере состава и свойств на границах между частицами B6O. Кроме того, установлено, что фактическое уплотнение композиционного материала во время изготовления улучшается при использовании второй фазы, которая содержит смесь по меньшей мере двух оксидов, ни один из которых не является оксидом, содержащим бор. Во время уплотнения в жидкой фазе уплотнение может составить свыше 95% теоретической плотности, а при добавлении оксида может быть обеспечено в более мягких условиях температуры и давления, нежели уплотнение, которое может быть достигнуто при отсутствии оксида во второй фазе. В частности, достигнуто уплотнение, составляющее 98-99%.Figure 1 shows the preferred lower threshold values in the range of hardness and crack resistance of the composite materials proposed in the present invention, in comparison with the known materials based on boron suboxide. It is assumed that the increased crack resistance of these types of composites can be due to many different factors, such as a change in the direction of the crack due to internal stresses, a mechanism for stopping (blocking) the crack that occurs in the formed second phases, and changes in the nature of the composition and properties at the boundaries between particles B 6 O. In addition, it was found that the actual compaction of the composite material during manufacture is improved by using a second phase, which contains a mixture of at least two oxides, none of which is an oxide containing boron. During compaction in the liquid phase, compaction can be in excess of 95% of the theoretical density, and when oxide is added, it can be achieved under milder conditions of temperature and pressure than compaction, which can be achieved in the absence of oxide in the second phase. In particular, a seal of 98-99% has been achieved.

Композиционный материал, предлагаемый в изобретении, может быть создан путем осуществления следующих шагов: обеспечение источника субоксида бора, предпочтительно в виде частиц или гранул; контактирование источника субоксида бора со смесью оксидов, в которой по меньшей мере два оксида не содержат бор, для создания реагирующей массы и спекание реагирующей массы до получения композиционного материала на основе субоксида бора. Этот способ представляет собой вторую особенность изобретения.The composite material proposed in the invention can be created by the following steps: providing a source of boron suboxide, preferably in the form of particles or granules; contacting the source of boron suboxide with a mixture of oxides in which at least two oxides do not contain boron to create a reactive mass and sintering the reactive mass to obtain a composite material based on boron suboxide. This method is a second feature of the invention.

Спекание происходит предпочтительно при сравнительно низкой температуре и под низким давлением, т.е. под давлением менее 200 МПа и при температуре, не превышающей 1950°C. Предпочтительно используются способы спекания под низким давлением, такие как горячее прессование (ГП), газовое спекание под давлением, изостатическое горячее прессование (ИГП) или искровое плазменное спекание (ИПС). Способ ИПС характеризуется очень быстрым нагревом и короткими периодами выдержки в изотермических условиях, в частности скоростью нагрева 50-400K/мин и временем выдержки в изотермических условиях не более 5 минут. Способ горячего прессования характеризуется скоростью нагрева 10-20°K/мин и временем выдержки в изотермических условиях примерно 15-25 минут, как правило, 20 минут.Sintering preferably takes place at a relatively low temperature and under low pressure, i.e. at a pressure of less than 200 MPa and at a temperature not exceeding 1950 ° C. Preferably, low pressure sintering methods are used, such as hot pressing (GP), gas sintering under pressure, isostatic hot pressing (IGP), or spark plasma sintering (IPS). The IPS method is characterized by very fast heating and short exposure periods in isothermal conditions, in particular, a heating rate of 50-400K / min and exposure time in isothermal conditions of not more than 5 minutes. The hot pressing method is characterized by a heating rate of 10-20 ° K / min and a holding time in isothermal conditions of about 15-25 minutes, usually 20 minutes.

В соответствии с этим способом, основанным на использовании оксида, во время спекания образуется устойчивая жидкая фаза оксида, которая затем охлаждается с образованием в конечном продукте вторых кристаллических и (или) аморфных фаз оксида. Оксиды, особенно если они представляют собой смесь Al2O3 и SiO2, вступают в реакцию с оставшимся B2O3 и образуют аморфные фазы между частицами или гранулами субоксида бора.In accordance with this method, based on the use of oxide, a stable liquid oxide phase is formed during sintering, which is then cooled to form second crystalline and (or) amorphous oxide phases in the final product. Oxides, especially if they are a mixture of Al 2 O 3 and SiO 2 , react with the remaining B 2 O 3 and form amorphous phases between particles or granules of boron suboxide.

Добавление смешанных оксидов химически стабилизирует аморфную межзеренную границу и повышает износостойкость композита. Такая аморфная межзеренная граница образуется в результате реакции между оксидами и B2O3 во время жидкой фазы уплотнения. Для повышения износостойкости материала, его химической стойкости и стойкости к высоким температурам предпочтительным является низкое содержание B2O3 на межзеренной границе. Мольное отношение B2O3/(B2O3 + другие оксиды) предпочтительно составляет менее 60, более предпочтительно - менее 30, а еще более предпочтительно - менее 20.The addition of mixed oxides chemically stabilizes the amorphous grain boundary and increases the wear resistance of the composite. Such an amorphous grain boundary is formed as a result of the reaction between the oxides and B 2 O 3 during the liquid compaction phase. To increase the wear resistance of the material, its chemical resistance and resistance to high temperatures, a low content of B 2 O 3 at the grain boundary is preferable. The molar ratio of B 2 O 3 / (B 2 O 3 + other oxides) is preferably less than 60, more preferably less than 30, and even more preferably less than 20.

Перед спеканием субоксид бора можно смешивать с компонентами, необходимыми для получения второй фазы. Или же перед спеканием субоксид бора можно покрывать компонентами второй фазы.Before sintering, boron suboxide can be mixed with the components necessary to obtain a second phase. Or, before sintering, boron suboxide can be coated with components of the second phase.

Хотя введение этих компонентов второй фазы в виде их оксидов перед спеканием может быть предпочтительным, компоненты второй фазы могут присутствовать в реагирующей массе также в другом виде, допускающем образование оксида (например, нитраты, карбонаты или оксалаты, образующие оксиды в процессе разложения или в металлическом состоянии), и могут окисляться в реагирующей массе во время спекания.Although the introduction of these components of the second phase in the form of their oxides before sintering may be preferable, the components of the second phase may also be present in the reaction mass in a different form allowing the formation of oxide (for example, nitrates, carbonates or oxalates forming oxides during decomposition or in the metallic state ), and can be oxidized in the reacting mass during sintering.

Предлагаемый в изобретении композиционный материал может применяться при отрезных работах и в деталях, подверженных износу. Кроме того, его можно измельчать до образования мелких твердых частиц и использовать при абразивных работах. Более того, этот композит можно использовать для покрытия броней/защит, например, защищающих от поражения огнестрельным оружием, и, в частности, для бронежилетов.The composite material proposed in the invention can be used in cutting work and in parts subject to wear. In addition, it can be crushed to the formation of small solid particles and used in abrasive work. Moreover, this composite can be used for coating armor / defenses, for example, protecting against damage by firearms, and, in particular, for body armor.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:Below the invention is described in more detail with reference to the accompanying drawings, which show:

фиг.1 - график, на котором представлены сравнительные значения твердости и трещиностойкости для композитов на основе B6O, предлагаемых в данном изобретении, и известных материалов подобного типа;figure 1 is a graph showing comparative values of hardness and crack resistance for composites based on B 6 O proposed in this invention, and known materials of this type;

фиг.2 - изображение спеченного композита, созданного на основе B6O с добавками 2,62 мас.% Al2O3 и 2,65 мас.% Y2O3, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ);figure 2 - image of the sintered composite, created on the basis of B 6 O with the addition of 2.62 wt.% Al 2 O 3 and 2.65 wt.% Y 2 O 3 obtained using a scanning electron microscope (SEM);

фиг.3 - изображение спеченного композита, созданного на основе B6O с добавками 10 мас.% TiB2, 2,0 мас.% Al2O3 и 2,0 мас.% Y2O3, полученное с помощью СЭМ;figure 3 - image of the sintered composite, created on the basis of B 6 O with additives of 10 wt.% TiB 2 , 2.0 wt.% Al 2 O 3 and 2.0 wt.% Y 2 O 3 obtained using SEM;

фиг.4 - изображение спеченного композита, созданного на основе B6O с добавками 4 мас.% WO3, 2,0 мас.% Al2O3 и 0,53% MgO (из порошка), полученное с помощью СЭМ и показывающее выделившуюся W2B5 фазу (фаза белого цвета) с размером частиц в субмикронном диапазоне и частично отшлифованную оксидную межзеренную границу;figure 4 - image of the sintered composite, created on the basis of B 6 O with additives of 4 wt.% WO 3 , 2.0 wt.% Al 2 O 3 and 0.53% MgO (from powder) obtained by SEM and showing the precipitated W 2 B 5 phase (white phase) with a particle size in the submicron range and a partially polished oxide intergranular boundary;

фиг.5 - изображения композитов горячего прессования, созданных на основе B6O с добавками Al-Y-Si, полученные с помощью СЭМ и показывающие рост зерен при более высоком содержании SiO2.figure 5 - image of the composites of hot pressing, created on the basis of B 6 O with additives Al-Y-Si, obtained using SEM and showing grain growth at a higher content of SiO 2 .

Описание вариантов осуществления изобретенияDescription of Embodiments

Далее изобретение демонстрируется с помощью приведенных ниже примеров. Таблица дает общее представление об этих материалах и для сравнения включает их измеренные характеристики твердости и трещиностойкости. В этих примерах используются оба термина: "вторая фаза" и "фаза межзеренной границы". Эти термины являются взаимозаменяемыми и относятся к одной и той же фазе.The invention is further illustrated by the following examples. The table gives a general idea of these materials and for comparison includes their measured characteristics of hardness and crack resistance. Both terms are used in these examples: "second phase" and "grain boundary phase". These terms are used interchangeably and refer to the same phase.

В данном описании изобретения термин "вторая фаза" обозначает все, что включает композиционный материал, кроме субоксида бора, причем она может быть полностью или частично кристаллической или аморфной и может включать две и более термодинамические фазы.In this description of the invention, the term "second phase" means everything that includes a composite material, except boron suboxide, which may be fully or partially crystalline or amorphous and may include two or more thermodynamic phases.

Пример 1Example 1

Исходный порошок B2O размалывали с помощью атриторной (фрикционной) мельницы со стальными шарами в течение 50 часов. Загрязняющие примеси железа удаляли путем промывки в HCl. Затем порошок промывали в метаноле для удаления присутствующего в нем B2O3. После размалывания средний размер частиц составлял 500 нм.The starting B 2 O powder was milled using an attritor (friction) mill with steel balls for 50 hours. Iron contaminants were removed by washing in HCl. Then the powder was washed in methanol to remove B 2 O 3 present in it. After grinding, the average particle size was 500 nm.

В размолотый порошок добавляли 2 мас.% Al2O3 и 2,65 мас.% Y2O3 в метаноле и размалывали в течение двух часов, используя планетарную мельницу. Размолотую смесь высушивали с помощью роторного испарителя, а затем помещали в ячейку из нитрида бора (внутри графитовой пресс-формы) и спекали, применяя пресс для горячего прессования, при температуре 1800°C и под давлением 50 МПа в среде аргона в течение примерно 20 минут. Получали полностью уплотненный композит, включающий частицы субоксида бора, в котором равномерно распределена вторая фаза. При рентгенографии установили отсутствие во второй фазе кристаллической фазы. Межзеренная граница представляла собой аморфную фазу межзеренной границы, содержащую Y2O3, Al2O3 и остаточный B2O3.2 wt.% Al 2 O 3 and 2.65 wt.% Y 2 O 3 in methanol were added to the milled powder and milled for two hours using a planetary mill. The milled mixture was dried using a rotary evaporator, and then placed in a cell made of boron nitride (inside a graphite mold) and sintered using a hot press at a temperature of 1800 ° C and under a pressure of 50 MPa in argon for about 20 minutes . Received a fully compacted composite, including particles of boron suboxide, in which the second phase is evenly distributed. Radiography revealed the absence of a crystalline phase in the second phase. The grain boundary was an amorphous phase of the grain boundary containing Y 2 O 3 , Al 2 O 3 and residual B 2 O 3 .

Поверхность поперечного сечения образца шлифовали, а затем с помощью индентора Виккерса испытывали на твердость и трещиностойкость. Твердость составила примерно 33,2 ГПа под нагрузкой 5 кг, а трещиностойкость - примерно 6,3 МПа·м0,5.The cross-sectional surface of the specimen was ground, and then, using a Vickers indenter, they were tested for hardness and crack resistance. Hardness was approximately 33.2 GPa under a load of 5 kg, and crack resistance was approximately 6.3 MPa · m 0.5 .

Таблица обобщает измеренные характеристики этого композита на основе субоксида бора. Предлагаемый в изобретении композит на основе B6O, полученный горячим прессованием, обладал более высокой твердостью и трещиностойкостью по сравнению с чистым B6O и композитом, полученным Shabalala и др. (WO 2007/029102).The table summarizes the measured characteristics of this composite based on boron suboxide. The hot-pressed B 6 O-based composite of the invention had higher hardness and crack resistance compared to pure B 6 O and the composite obtained by Shabalala et al. (WO 2007/029102).

Пример 2Example 2

Композит на основе субоксида бора получали, используя те же самые компоненты и условия, какие указаны в примере 1, за исключением того, что количество компонентов Y2O3 и Al2O3 уменьшили в два раза, сохранив при этом соотношение между ними. Полученный композит был полностью уплотнен и, как было установлено, тоже содержал Y2O3, Al2O3 и остаточный B2O3. Его твердость составляла 30,4 ГПа, а трещиностойкость - 6,0 МПа·м0,5.A boron suboxide composite was prepared using the same components and conditions as described in Example 1, except that the amount of Y 2 O 3 and Al 2 O 3 components was halved, while maintaining the ratio between them. The resulting composite was completely densified and was also found to contain Y 2 O 3 , Al 2 O 3 and residual B 2 O 3 . Its hardness was 30.4 GPa, and crack resistance - 6.0 MPa · m 0.5 .

Пример 3Example 3

Композит на основе субоксида бора получали, используя те же самые компоненты и условия, какие указаны в примере 1, за исключением того, что компоненты для второй фазы включали дополнительно 1,0 мас.% SiO2. Полученный композит был полностью уплотнен и включал аморфную фазу межзеренной границы, содержащую Y2O3, Al2O3 и остаточный B2O3. Его твердость составляла 33,5 ГПа, а трещиностойкость - 5,0 МПа·м0,5.A boron suboxide composite was prepared using the same components and conditions as described in Example 1, except that the components for the second phase included an additional 1.0 wt.% SiO 2 . The resulting composite was completely densified and included an amorphous phase of the grain boundary containing Y 2 O 3 , Al 2 O 3 and residual B 2 O 3 . Its hardness was 33.5 GPa, and crack resistance - 5.0 MPa · m 0.5 .

Пример 4Example 4

Исходный порошок B6O размалывали в растворе этанола с помощью атриторной мельницы с шарами из оксида алюминия. После размалывания суспензию высушивали с помощью роторного испарителя. В таблице износ шаров из оксида алюминия был включен в общий состав материалов.The original B 6 O powder was ground in an ethanol solution using an attritor mill with alumina balls. After grinding, the suspension was dried using a rotary evaporator. In the table, wear of aluminum oxide balls was included in the overall composition of the materials.

В размолотый порошок добавляли 2,62 мас.% Al2O3 и 2,65 мас.% Y2O3 в изопропаноле и размалывали в течение двух часов, используя планетарную мельницу. Размолотую смесь высушивали с помощью роторного испарителя, после чего осуществляли быстрое искровое плазменное спекание с использованием графитовых пресс-форм (матриц) с тонкими графитовыми пленками. Во избежание взаимодействия с графитом тонкие графитовые пленки были покрыты суспензией НБ (нитрида бора, англ. BN). Размолотую смесь спекали, применяя способ ИПС, при скорости нагрева 50K/мин, температуре 1740°C и давлении 115 МПа в среде аргона в течение примерно 5 минут. Скорость нагрева составляла 50K/мин. Поскольку использовали непроводящую футеровку или покрытие из гексагонального НБ (англ. hBN), процесс уплотнения скорее представлял собой быстрое горячее прессование, нежели ИПС, которое характеризуется прохождением тока через порошок.2.62 wt.% Al 2 O 3 and 2.65 wt.% Y 2 O 3 in isopropanol were added to the milled powder and milled for two hours using a planetary mill. The milled mixture was dried using a rotary evaporator, and then a fast spark plasma sintering was carried out using graphite molds (matrices) with thin graphite films. To avoid interaction with graphite, thin graphite films were coated with a suspension of NB (boron nitride, Eng. BN). The milled mixture was sintered using the IPA method at a heating rate of 50K / min, a temperature of 1740 ° C and a pressure of 115 MPa in argon for about 5 minutes. The heating rate was 50K / min. Since they used a non-conductive lining or a coating of hexagonal NB (English hBN), the compaction process was rather a quick hot pressing than IPA, which is characterized by the passage of current through the powder.

Получали полностью уплотненный композит, включающий частицы субоксида бора, в котором равномерно распределена вторая фаза. Поверхность поперечного сечения образца шлифовали, а затем с использованием индентора Виккерса испытывали на твердость и трещиностойкость. Твердость составила примерно 33,4±0,6 ГПа под нагрузкой 0,4 кг, а трещиностойкость - примерно 4,3 МПа·м0,5.Received a fully compacted composite, including particles of boron suboxide, in which the second phase is evenly distributed. The cross-sectional surface of the sample was ground, and then, using a Vickers indenter, they were tested for hardness and crack resistance. The hardness was approximately 33.4 ± 0.6 GPa under a load of 0.4 kg, and the crack resistance was approximately 4.3 MPa · m 0.5 .

Пример 5Example 5

Композит на основе субоксида бора получали, используя те же самые компоненты и условия, какие указаны в примере 4, за исключением того, что размолотую смесь спекали при температуре 1800°C и под давлением 80 МПа, применяя тот же способ ИПС, что и в примере 4. Полученный композит был полностью уплотнен. Он обладал твердостью 33 ГПа под нагрузкой 0,4 кг и трещиностойкостью 4 МПа·м0,5.A boron suboxide composite was prepared using the same components and conditions as described in Example 4, except that the milled mixture was sintered at a temperature of 1800 ° C and a pressure of 80 MPa using the same IPA method as in the example 4. The resulting composite was completely compacted. He had a hardness of 33 GPa under a load of 0.4 kg and a crack resistance of 4 MPa · m 0.5 .

Пример 6Example 6

Композит на основе субоксида бора получали, используя те же самые компоненты и условия, какие указаны в примере 4, за исключением того, что в размолотый порошок добавляли 2,0 мас.% Al2O3 и 2,0 мас.% Y2O3 и спекали при температуре 1850°С и под давлением 50 МПа. Полученный композит был полностью уплотнен и также включал Y2O3, Al2O3 и немного остаточного B2O3. Он обладал твердостью 32,1 ГПа и трещиностойкостью 4 МПа·м0,5.A boron suboxide composite was prepared using the same components and conditions as described in Example 4, except that 2.0 wt.% Al 2 O 3 and 2.0 wt.% Y 2 O were added to the milled powder 3 and sintered at a temperature of 1850 ° C and under a pressure of 50 MPa. The resulting composite was completely densified and also included Y 2 O 3 , Al 2 O 3 and some residual B 2 O 3 . It had a hardness of 32.1 GPa and a crack resistance of 4 MPa · m 0.5 .

Пример 7Example 7

Исходный порошок B6O размалывали с помощью струйной мельницы. Средний размер частиц после размалывания составлял 2,3 мкм. В размолотый порошок B6O добавляли 2 мас.% Al2O3, 2 мас.% Y2O3 и 2 мас.% ZrO2 (т.е. TZP, стабилизированный с помощью 3 мол.% оксида иттрия) в изопропаноле и размалывали в течение шести часов с помощью атриторной мельницы с шарами из Al2O3. Размолотую смесь высушивали с помощью роторного испарителя, а затем помещали в графитовую пресс-форму (матрицу) с покрытием из гексагонального НБ и спекали в среде аргона с применением способа ИПС при скорости нагрева 50K/мин и времени выдержки 5 минут.The original B 6 O powder was milled using a jet mill. The average particle size after grinding was 2.3 μm. 2 wt.% Al 2 O 3 , 2 wt.% Y 2 O 3 and 2 wt.% ZrO 2 (i.e., TZP stabilized with 3 mol.% Yttrium oxide) in isopropanol were added to the milled B 6 O powder and milled for six hours using an attritor mill with balls of Al 2 O 3 . The milled mixture was dried using a rotary evaporator, and then placed in a graphite mold (matrix) coated with hexagonal NB and sintered in argon using the IPA method at a heating rate of 50 K / min and a holding time of 5 minutes.

Кроме образца, содержащего Y2O3 (пример 7а), получали образец, не содержащий Y2O3 (пример 7b). Получали полностью уплотненный композит, включающий частицы субоксида бора, в котором равномерно распределена вторая фаза. В образце с добавкой Y2O3 помимо ZrB2 и, частично, ZrB12 наблюдали аморфную оксидную фазу межзеренной границы. В материале примера 7b без добавления Y2O3 при рентгенографии во второй фазе обнаружили кристаллическую фазу оксида (Al18B4O33). MgO вместе с остаточным B2O3 и небольшим количеством Al2O3 образовал аморфную фазу межзеренной границы. Такая аморфная фаза межзеренной границы является более устойчивой, чем та, которая образуется только с Al2O3 (Shabalala). Типичная особенность, состоящая в образовании микропор, не наблюдалась, в результате чего значения твердости были выше. ZrO2 превращается в ZrB2 и, частично, ZrB12. Следует упомянуть, что максимальные значения для ZrB12 по сравнению со стандартными значениями немного изменяются, это указывает на то, что в решетке может быть растворена часть иттрия или алюминия.In addition to the sample containing Y 2 O 3 (example 7a), a sample was obtained that did not contain Y 2 O 3 (example 7b). Received a fully compacted composite, including particles of boron suboxide, in which the second phase is evenly distributed. In the sample with the addition of Y 2 O 3, in addition to ZrB 2 and, in part, ZrB 12 , an amorphous oxide phase of the grain boundary was observed. In the material of Example 7b, without adding Y 2 O 3 , a crystalline oxide phase (Al 18 B 4 O 33 ) was detected by X-ray diffraction in the second phase. MgO together with residual B 2 O 3 and a small amount of Al 2 O 3 formed an amorphous phase of the intergranular boundary. Such an amorphous phase of the intergrain boundary is more stable than that formed only with Al 2 O 3 (Shabalala). A typical feature consisting in the formation of micropores was not observed, as a result of which the hardness values were higher. ZrO 2 is converted to ZrB 2 and, in part, ZrB 12 . It should be mentioned that the maximum values for ZrB 12 are slightly different compared to the standard values, this indicates that a part of yttrium or aluminum can be dissolved in the lattice.

Поверхность поперечного сечения образца шлифовали, а затем с использованием индентора Виккерса испытывали на твердость и трещиностойкость. Твердость составила примерно 36,9 ГПа (образец 7b) и 34,2 ГПа (образец 7а) под нагрузкой 0,4 кг, а трещиностойкость - примерно 4 МПа·м0,5.The cross-sectional surface of the sample was ground, and then, using a Vickers indenter, they were tested for hardness and crack resistance. The hardness was approximately 36.9 GPa (sample 7b) and 34.2 GPa (sample 7a) under a load of 0.4 kg, and crack resistance was approximately 4 MPa · m 0.5 .

Примеры 8-10Examples 8-10

Композиты на основе субоксида бора получали в тех же условиях, какие изложены в примере 7, но заменяя ZrO2 на HfO2, WO3 и TiB2, соответственно, в соотношениях, указанных в таблице. Уплотнение осуществляли при температуре 1850°C и 1900°C. При температуре 1850°С наблюдали плотность 96-98%. При температуре 1900°C наблюдали плотность более 98%. В примере 7b как при первой, так и при второй температуре наблюдали такую же плотность, что указывает на некоторое улучшение характеристики уплотнения при добавлении ZrO2, по сравнению с той, которую получают при добавлении HfO2 или WO3.Boron suboxide composites were prepared under the same conditions as described in Example 7, but replacing ZrO 2 with HfO 2 , WO 3 and TiB 2 , respectively, in the ratios indicated in the table. Sealing was carried out at a temperature of 1850 ° C and 1900 ° C. At a temperature of 1850 ° C, a density of 96-98% was observed. At a temperature of 1900 ° C, a density of more than 98% was observed. In Example 7b, the same density was observed at both the first and second temperatures, indicating a slight improvement in compaction performance when ZrO 2 was added, compared to that obtained when HfO 2 or WO 3 was added.

В этих образцах без добавления Y2O3 образовалось также некоторое количество Al18B4O33 и борид. Образование микропористости, как в WO 2007/029102 (Shabalala и др.) и [9], не происходило, что указывает на повышение устойчивости фазы межзеренной границы (фиг.4). Кроме фазы оксида, во всех примерах также образовались бориды (HfB2, W2B5, который представляет собой композицию с областью однородности, а также иногда обозначается как WB2, - используется как W2B5, так и WB2, так как подробное определение постоянных параметров решетки не проводили). Добавление Y2O3 подавляет кристаллизацию Al18B4O33 в аморфной оксидной фазе межзеренной границы или во второй фазе.In these samples, without the addition of Y 2 O 3 , a certain amount of Al 18 B 4 O 33 and boride were also formed. The formation of microporosity, as in WO 2007/029102 (Shabalala et al.) And [9], did not occur, which indicates an increase in the stability of the phase of the grain boundary (Fig. 4). In addition to the oxide phase, borides were also formed in all examples (HfB 2 , W 2 B 5 , which is a composition with a region of uniformity, and is also sometimes referred to as WB 2 - both W 2 B 5 and WB 2 are used , since detailed determination of the lattice constant parameters was not performed). The addition of Y 2 O 3 inhibits the crystallization of Al 18 B 4 O 33 in the amorphous oxide phase of the grain boundary or in the second phase.

Примеры 11-13Examples 11-13

Композиционный материал на основе субоксида бора в примере 11 получали в тех же условиях, какие указаны в примере 1, за исключением того, что Y2O3 в примере 1 заменяли на SiO2. Примеры 12-13 получили тем же способом, что и пример 7. Полученный композит был полностью уплотнен.The boron suboxide composite in Example 11 was prepared under the same conditions as those described in Example 1, except that Y 2 O 3 in Example 1 was replaced with SiO 2 . Examples 12-13 were obtained in the same manner as example 7. The resulting composite was completely densified.

Материалы, плотность, составы фаз и характеристики всех полученных композитов указаны в таблице. Эти данные показали, что добавление Y2O3/Al2O3 значительно усиливает уплотнение. Уплотнение композиций с добавками может быть завершено при температуре 1850°C, тогда как уплотнение беспримесных порошков B6O при этой температуре возможно лишь до 95% теоретической плотности. Такая же плотность, как в случае беспримесного материала, может быть достигнута при температурах на 50-100°C ниже. Быстрое уплотнение материала с добавками Y2O3/Al2O3 начинается при температуре 1350-1370°C, тогда как уплотнение беспримесного материала начинается только при 1450°C. Микроструктуры материалов с добавкой Y2O3/Al2O3 показывают наличие такой жидкости, так как кристаллические фазы межзеренной границы (вторая фаза) не обнаружены. Изображения, полученные на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ), показывают однородное распределение добавок Y2O3/Al2O3 в тройных (трехрядных) соединениях. Размер зерен материала определить невозможно, но по микрофотографиям, полученным на СЭМ, можно сделать вывод, что размер зерен не превышает 1 мкм, т.е. рост зерен не происходит.Materials, density, phase compositions and characteristics of all the obtained composites are shown in the table. These data showed that the addition of Y 2 O 3 / Al 2 O 3 significantly enhances compaction. Compaction of additive compositions can be completed at a temperature of 1850 ° C, while compaction of pure B 6 O powders at this temperature is possible only up to 95% of the theoretical density. The same density as in the case of pure material can be achieved at temperatures 50-100 ° C lower. Rapid compaction of the material with additives Y 2 O 3 / Al 2 O 3 begins at a temperature of 1350-1370 ° C, while compaction of pure material begins only at 1450 ° C. The microstructures of materials with the addition of Y 2 O 3 / Al 2 O 3 show the presence of such a liquid, since crystalline phases of the grain boundary (second phase) were not detected. Images obtained with a scanning electron microscope (SEM) show a uniform distribution of Y 2 O 3 / Al 2 O 3 additives in ternary (three-row) compounds. The grain size of the material cannot be determined, but from microphotographs obtained by SEM, we can conclude that the grain size does not exceed 1 μm, i.e. grain growth does not occur.

Добавление 10 мас.% TiB2 в композицию B6O+Y2O3/Al2O3 не изменяет характеристику уплотнения.The addition of 10 wt.% TiB 2 to the composition B 6 O + Y 2 O 3 / Al 2 O 3 does not change the compaction characteristic.

На фиг.3 изображена микроструктура материала примера 10, показывающая, что размер частицы TiB2 находится в пределах 1-2 мкм и просматривается оксидная межзеренная граница.Figure 3 shows the microstructure of the material of example 10, showing that the particle size of TiB 2 is in the range of 1-2 μm and visible oxide grain boundary.

Микроструктура материала с добавками WO3 (пример 9с) изображена на фиг.4. Материал имеет почти 100%-ную плотность, и видно образование боридов. Размер частиц выделившихся боридов - менее 1 мкм.The microstructure of the material with additives WO 3 (example 9C) is depicted in figure 4. The material has an almost 100% density and the formation of borides is visible. The particle size of the released borides is less than 1 micron.

Эти данные доказывают возможность создания плотных сверхтвердых материалов на основе B6O без высокого давления. Более сильное уплотнение этих материалов по сравнению с беспримесным B6O связано с образованием жидкой фазы во время уплотнения.These data prove the possibility of creating dense superhard materials based on B 6 O without high pressure. A stronger compaction of these materials compared to pure B 6 O is associated with the formation of a liquid phase during compaction.

Figure 00000002
Figure 00000002

Источники информацииInformation sources

1. H.Hubert, L.Garvie, B.Devouard, P.Buseck, W.Petuskey, P.McMillan, Chem. Mater. (1998), 10, стр.1530-1537.1. H. Hubert, L. Garvie, B. Devouard, P. Buseck, W. Petuskey, P. McMillan, Chem. Mater. (1998), 10, pp. 1530-1537.

2. Н.Itoh, I.Maekawa, Н.Iwahara, J.Soc. Mat. Sci., Япония (1998), 47(10), стр.1000-1005.2. H. Itoh, I. Maekawa, H. Iwahara, J. Soc. Mat. Sci., Japan (1998), 47 (10), pp. 1000-1005.

3. R.R. Petrak, R.Ruh, G.R.Atkins, Cer. Bull. (1974), 53(8), стр.569-573.3. R.R. Petrak, R. Ruh, G. R. Atkins, Cer. Bull. (1974), 53 (8), pp. 569-573.

4. R.Sasai, Н.Fukatsu, Т.Kojima и Н.Itoh, J.Mater. Sci. (2001), 36, стр.5339-5343.4. R. Sasai, N. Fukatsu, T. Kojima and H. Itoh, J. Mater. Sci. (2001), 36, pp. 5339-5343.

5. Н.Itoh, I.Maekawa и Н.Iwahara; J.Mater. Sci. (2000), 35, стр.693-698.5. H. Itoh, I. Maekawa and H. Iwahara; J. Mater. Sci. (2000), 35, pp. 693-698.

6. Н.Itoh, R.Yamamoto and Н.Iwahara; J. Am. Ceram. Soc.; 83(3); (2000); стр.501-506.6. H. Itoh, R. Yamamoto and H. Iwahara; J. Am. Ceram. Soc .; 83 (3); (2000); pg. 501-506.

7. T.C.Shabalala, D.S.Mclachlan, I.J.Sigalas, M.Herrmann; Advances in Sci and Tech. (2006), 45, стр.1745-1750.7. T. C. Sabalala, D. S. M. Clachlan, I. J. Sigalas, M. Herrmann; Advances in Sci and Tech. (2006), 45, pp. 1745-1750.

8. G.Anstis, P.Chantikul, B.Lawn и D.Marshall; "A critical evaluation indentation techniques for measuring fracture toughness: I, Direct crack measurements" ("Необходимые методики оценивания инденторного воздействия при определении трещиностойкости: I, непосредственные /прямые/ измерения трещины"), J. Am. Ceram. Soc. (1981), 64, стр.533-538.8. G. Anstis, P. Chantikul, B. Lawn, and D. Marshall; "A critical evaluation indentation techniques for measuring fracture toughness: I, Direct crack measurements" ("Necessary indenter impact assessment techniques for determining crack resistance: I, direct / straight / crack measurements"), J. Am. Ceram. Soc. (1981), 64, pp. 533-538.

9. He, D., Zhao, Y., Daemen, L., Qian, J., Shen, T.D. и Zerda, T.W. Boron suboxide: As hard as cubic boron nitride (Субоксид бора: такой же твердый, как и кубический нитрид бора), Appl. Phys. Lett. (2002), т.81, 4, стр.643-645.9. He, D., Zhao, Y., Daemen, L., Qian, J., Shen, T.D. and Zerda, T.W. Boron suboxide: As hard as cubic boron nitride (Boron suboxide: as solid as cubic boron nitride), Appl. Phys. Lett. (2002), Vol. 81, 4, pp. 643-645.

10. А.Andrews, M.Herrmann, Т.С.Shabalala и I.Sigalas, "Liquid phase assisted hot pressing of boron suboxide materials" ("Горячее прессование материалов на основе субоксида бора с помощью жидкой фазы"), J. Europ. Ceram. Soc. (2008), 28, стр.1613-1621.10. A. Andrews, M. Herrmann, T.S.Shabalala and I. Sigalas, "Liquid phase assisted hot pressing of boron suboxide materials", J. Europ . Ceram. Soc. (2008), 28, pp. 1613-1621.

11. H.-J.Kleebe, S.Lauterbach, T.C.Shabalala, M.Herrmann и I.J.Sigalas, "B6O: A Correlation Between Mechanical Properties and Microstructure Evolution Upon Al2O3 Addition During Hot-Pressing" ("B6O: Взаимосвязь между механическими свойствами и постепенным изменением микроструктуры после добавления Al2O3 во время горячего прессования"), J. Amer. Ceram. Soc. (2008) 91 [2], стр.569-575.11. H.-J. Kleebe, S. Lauterbach, TCShabalala, M. Herrmann and IJ Sigalas, "B 6 O: A Correlation Between Mechanical Properties and Microstructure Evolution Upon Al 2 O 3 Addition During Hot-Pressing"("B 6 O : Relationship between mechanical properties and the gradual change in microstructure after addition of Al 2 O 3 during hot pressing "), J. Amer. Ceram. Soc. (2008) 91 [2], pp. 569-575.

12. Rutz H.L., Day D.E. и Spencer C.F., J. Am. Ceram. Soc., 1990, т.73, №6, стр.1788.12. Rutz H.L., Day D.E. and Spencer C.F., J. Am. Ceram. Soc., 1990, T. 73, No. 6, p. 1788.

Claims (22)

1. Композиционный материал на основе субоксида бора, включающий субоксид бора и вторую фазу, причем вторая фаза содержит смесь по меньшей мере двух оксидов металлов, ни один из которых не является оксидом, содержащим бор, причем вторая фаза равномерно распределена в субоксиде бора и причем по меньшей мере один оксид металла выбран из оксидов элементов групп IIA, IIIA и IVA Периодической системы элементов или представляет собой оксид редкоземельного металла.1. A composite material based on boron suboxide, comprising boron suboxide and a second phase, the second phase containing a mixture of at least two metal oxides, none of which is an oxide containing boron, the second phase being uniformly distributed in boron suboxide and at least one metal oxide is selected from oxides of elements of groups IIA, IIIA and IVA of the Periodic system of elements or is a rare earth metal oxide. 2. Композиционный материал по п.1, в котором оксид редкоземельного металла выбран из группы, включающей оксид иттрия, оксид скандия и оксиды элементов ряда лантаноидов.2. The composite material according to claim 1, in which the rare earth metal oxide is selected from the group comprising yttrium oxide, scandium oxide and oxides of elements of a number of lanthanides. 3. Композиционный материал по п.1, в котором по меньшей мере один из оксидов выбран из группы, включающей Al2O3, SiO2, MgO, CaO, BaO и SrO.3. The composite material according to claim 1, wherein at least one of the oxides is selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, CaO, BaO, and SrO. 4. Композиционный материал по п.1, в котором одним из оксидов является Al2O3, а другой оксид выбран из группы, включающей SiO2, MgO, CaO, BaO и SrO.4. The composite material according to claim 1, in which one of the oxides is Al 2 O 3 and the other oxide is selected from the group consisting of SiO 2 , MgO, CaO, BaO and SrO. 5. Композиционный материал по п.1, в котором одним из оксидов является оксид редкоземельного металла, а другой оксид выбран из группы, включающей Al2O3, SiO2, MgO, CaO, BaO и SrO.5. The composite material according to claim 1, wherein one of the oxides is a rare earth metal oxide and the other oxide is selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, CaO, BaO and SrO. 6. Композиционный материал по п.1, в котором вторая фаза включает также борид.6. The composite material according to claim 1, in which the second phase also includes boride. 7. Композиционный материал по п.6, в котором борид выбран из группы, включающей бориды переходных металлов четвертой - восьмой групп Периодической системы элементов.7. The composite material according to claim 6, in which the boride is selected from the group comprising borides of transition metals of the fourth to eighth groups of the Periodic system of elements. 8. Композиционный материал по п.7, в котором борид выбран из группы, включающей бориды железа, кобальта, никеля, титана, вольфрама, тантала, гафния, циркония, рения, молибдена и хрома.8. The composite material according to claim 7, in which the boride is selected from the group comprising borides of iron, cobalt, nickel, titanium, tungsten, tantalum, hafnium, zirconium, rhenium, molybdenum and chromium. 9. Композиционный материал по п.1, в котором смесь оксидов присутствует в количестве до 20 об.% от композиционного материала.9. The composite material according to claim 1, in which the mixture of oxides is present in an amount up to 20 vol.% Of the composite material. 10. Композиционный материал по п.1, в котором смесь оксидов присутствует в количестве до 10 об.% от композиционного материала.10. The composite material according to claim 1, in which the mixture of oxides is present in an amount up to 10 vol.% Of the composite material. 11. Композиционный материал по п.1, в котором смесь оксидов присутствует в количестве до 5 об.% от композиционного материала.11. The composite material according to claim 1, in which the mixture of oxides is present in an amount up to 5 vol.% Of the composite material. 12. Композиционный материал по п.1, в котором субоксид бора имеет вид частиц или гранул.12. The composite material according to claim 1, in which the boron suboxide is in the form of particles or granules. 13. Композиционный материал по п.1, в котором средняя зернистость частиц или гранул субоксида бора находится в пределах от 100 нм до 100 мкм.13. The composite material according to claim 1, in which the average grain size of the particles or granules of boron suboxide is in the range from 100 nm to 100 μm. 14. Композиционный материал по п.13, в котором средняя зернистость частиц или гранул субоксида бора находится в пределах от 100 нм до 10 мкм.14. The composite material according to item 13, in which the average grain size of the particles or granules of boron suboxide is in the range from 100 nm to 10 μm. 15. Композиционный материал по п.6, в котором субоксид бора присутствует в количестве по меньшей мере 50 об.% от композиционного материала.15. The composite material according to claim 6, in which boron suboxide is present in an amount of at least 50 vol.% Of the composite material. 16. Композиционный материал по п.1, трещиностойкость которого составляет более 3,5 МПа·м0,5.16. The composite material according to claim 1, the crack resistance of which is more than 3.5 MPa · m 0.5 . 17. Композиционный материал по п.1, твердость которого составляет более 25 ГПа.17. The composite material according to claim 1, the hardness of which is more than 25 GPa. 18. Способ получения композиционного материала на основе субоксида бора по пп.1-17, включающий стадии, на которых:
обеспечивают источник субоксида бора;
вводят источник субоксида бора в контакт со смесью оксидов металлов, в которой по меньшей мере два оксида не содержат бор, или соединениями, или металлами, способными к образованию такой смеси оксидов, для создания реагирующей массы; и
спекают реагирующую массу с получением композиционного материала на основе субоксида бора при температуре 1740-1900°C.
18. The method of obtaining a composite material based on boron suboxide according to claims 1-17, comprising the stages in which:
provide a source of boron suboxide;
introducing a source of boron suboxide into contact with a mixture of metal oxides in which at least two oxides do not contain boron, or with compounds or metals capable of forming such a mixture of oxides to create a reactive mass; and
sintering the reaction mass to obtain a composite material based on boron suboxide at a temperature of 1740-1900 ° C.
19. Способ по п.18, в котором реагирующую массу спекают под давлением менее 200 МПа.19. The method according to p, in which the reaction mass is sintered under a pressure of less than 200 MPa. 20. Способ по п.18, в котором реагирующую массу спекают при скорости нагрева 50-400 K/мин и времени выдержки в изотермических условиях не более 5 мин.20. The method according to p. 18, in which the reacting mass is sintered at a heating rate of 50-400 K / min and exposure time in isothermal conditions not more than 5 minutes 21. Способ по п.18, в котором реагирующую массу спекают при скорости нагрева 10-20 K/мин и времени выдержки в изотермических условиях 15-60 мин.21. The method according to p. 18, in which the reacting mass is sintered at a heating rate of 10-20 K / min and exposure time in isothermal conditions of 15-60 minutes 22. Способ по п.18, в котором упомянутое контактирование субоксида бора со смесью оксидов, или соединениями, или металлами осуществляется путем смешивания. 22. The method according to p. 18, in which the said contacting of boron suboxide with a mixture of oxides, or compounds, or metals is carried out by mixing.
RU2009143562/03A 2007-04-26 2008-04-24 Boron suboxide-based composite material RU2484059C2 (en)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ZA2007/03437 2007-04-26
ZA200703437 2007-04-26
GB0711773.2 2007-06-18
GB0711773A GB0711773D0 (en) 2007-06-18 2007-06-18 Boron suboxide-based materials
GB0802949.8 2008-02-18
GB0802949A GB0802949D0 (en) 2008-02-18 2008-02-18 Boron suboxide composite material
PCT/IB2008/051587 WO2008132674A2 (en) 2007-04-26 2008-04-24 Boron suboxide composite material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009143562A RU2009143562A (en) 2011-06-10
RU2484059C2 true RU2484059C2 (en) 2013-06-10

Family

ID=44736166

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009143565/03A RU2484060C2 (en) 2007-04-26 2008-04-24 Boron suboxide-based composite materials
RU2009143562/03A RU2484059C2 (en) 2007-04-26 2008-04-24 Boron suboxide-based composite material
RU2009143564/03A RU2484058C2 (en) 2007-04-26 2008-04-24 Boron suboxide-based composite material

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009143565/03A RU2484060C2 (en) 2007-04-26 2008-04-24 Boron suboxide-based composite materials

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009143564/03A RU2484058C2 (en) 2007-04-26 2008-04-24 Boron suboxide-based composite material

Country Status (1)

Country Link
RU (3) RU2484060C2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0621327A1 (en) * 1993-04-21 1994-10-26 Norton Company Abrasive material and method of removing material from a surface
RU2151045C1 (en) * 1996-07-26 2000-06-20 Нортон Компани Method for making grinding wheels with high permeability
EP0871562B1 (en) * 1994-05-13 2003-01-15 Norton Company Improved superabrasive tool
US20050022457A1 (en) * 2003-05-09 2005-02-03 Zheng Chen Abrasive particles having coatings with tortuous surface topography
WO2007029102A2 (en) * 2005-09-07 2007-03-15 Element Six (Production) (Pty) Ltd Boron suboxide composite material

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2241495A1 (en) * 1973-07-13 1975-03-21 Anvar Boron suboxide prepn - by heating boron and platinum sponge or platinum boride in oxygen

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0621327A1 (en) * 1993-04-21 1994-10-26 Norton Company Abrasive material and method of removing material from a surface
EP0871562B1 (en) * 1994-05-13 2003-01-15 Norton Company Improved superabrasive tool
RU2151045C1 (en) * 1996-07-26 2000-06-20 Нортон Компани Method for making grinding wheels with high permeability
US20050022457A1 (en) * 2003-05-09 2005-02-03 Zheng Chen Abrasive particles having coatings with tortuous surface topography
WO2007029102A2 (en) * 2005-09-07 2007-03-15 Element Six (Production) (Pty) Ltd Boron suboxide composite material

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009143562A (en) 2011-06-10
RU2009143565A (en) 2011-06-10
RU2484060C2 (en) 2013-06-10
RU2009143564A (en) 2011-06-10
RU2484058C2 (en) 2013-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhao et al. Microstructure and mechanical properties of TiB2–SiC ceramic composites by reactive hot pressing
JP5485999B2 (en) Cubic boron nitride ceramic composite and method for producing the same
Basu et al. Development of WC–ZrO2 nanocomposites by spark plasma sintering
US8426043B2 (en) Boron suboxide composite materials
He et al. Interfacial reactions and mechanical properties of SiC fiber reinforced Ti3SiC2 and Ti3 (SiAl) C2 composites
Kleebe et al. B6O: A correlation between mechanical properties and microstructure evolution upon Al2O3 addition during hot pressing
JP4940239B2 (en) Boron oxide composite material
RU2484059C2 (en) Boron suboxide-based composite material
Monteverde et al. Densification, microstructure evolution and mechanical properties of ultrafine SiC particle-dispersed ZrB 2 matrix composites
CN101668716B (en) Boron suboxide composite materials
CN115259836B (en) B with fracture toughness and hardness 6 O-diamond composite material and preparation method thereof
Ivzhenko et al. Special features of the formation of the structure and properties of materials from the B 4 C-TiH 2 powder system in reaction sintering under pressure
WO2008132675A2 (en) Boron suboxide composite material
JP2005263503A (en) W(c, n)-wb-based compound material and its forming process
Gao et al. Preparation and Properties of Cr2N-Al2o3 Nanocomposites

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140425