Застосування

Інтерес до карбіду Бору обумовлений тим, що він має ряд корисних фізико-хімічних властивостей, завдяки яким він має найрізноманітніші галузі застосування.

Ядерна промисловість. Маючи хорошу хімічну інертність і високу жаростійкість карбід Бору широко застосовувається в ядерних реакторах. Він може поглинати велику кількість нейтронів без утворення радіоактивних ізотопів, і тому на АЕС він використовується як поглинач нейтронів. Карбід бору також використовують у водоохолоджувальних реакторах, реакторах на швидких нейтронах як контрольні стрижні нейтронного захисту.

Обробна промисловість.Так як карбід Бору є твердим, зносостійким матеріалом він використовується як крупнозернистий абразив. Використовується для обробки дорогоцінного каміння та інших твердих матеріалів, шліфування, свердління і полірування. Оскільки він має високу температуру плавлення, то його використовують у вигляді порошку, і він може бути оброблений в простій формі.

Високотверді зносостійкі вироби з компактних матеріалів на основі карбіду бору використовують у виробництві інструментів: з них виготовляють сопла піскоструминних апаратів, бруски для правки шліфувальних кругів, матриці для видавлювання абразивних стрижнів, індентори для вимірювання твердості і т.д.

Електроніка. Карбід бору є високотемпературним напівпровідником, тому він представляє значний інтерес як матеріал для електродів термопар і термоелектричних генераторів. Термопари з термоелектронами з неметалічних матеріалів розробляються, головним чином, для роботи при високих температурах в різних агресивних середовищах, де металеві електроди руйнуються. Також карбід Бору застосовується як термо- і електроізоляційний матеріал і матеріал для пристроїв в мікроелектроніці.

Хіміко-термічна обробка. Порошки карбіду бору, активовані фторидами (або іншими галогенідами), використовуються для дифузійного борування сталей. При цьому утворюється тонкий шар Fe₂B, що має високу твердість і зносостійкість.

Використовується карбід бору як компонент лазерного легування, який забезпечує підвищення зносотривкості та поверхневої міцності сплавів. Особливо ефективний при використанні для лазерного легування титанових сплавів.

Порошкова металургія.Карбід Бору також використовується для виготовлення керамічних матеріалів методом порошкової металургії.

Способи відноситься до отримання особливо твердих, зносостійких керамічних матеріалів на основі карбіду бору з високою міцністю.

Спосіб полягає в перемішуванні порошків карбіду бору і евтектичною добавки, що містить карбід титану і диборид титану при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: В4С 50 - 99, TiB2 0,6 - 30, TiC 0,4 - 20, гарячому пресуванні при температурі 1800 - 2100oC, питомому тиску пресування 200 - 300 кгс / мм2 протягом 5 - 60 хв. Використовуються порошки вихідних компонентів з розмірами основної маси часток не більше 10 мкм. Евтектичну добавку отримують методом високотемпературного синтезу, механічною або термічної активацією. Спосіб дозволяє спростити виготовлення матеріалу при збереженні високої щільності. Мікротвердість матеріалу В4С - TiB2 - TiC 5100 - 6500 кгс / мм2, відносна щільність 99%, міцність на вигин 21 -28 кгс / мм2. 5 з.п.ф-ли, 1 табл.Один із способів полягає в перемішуванні порошків карбіду бору і евтектичною добавки, що містить карбід титану і диборид титану при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: В₄С 50 - 99, TiB₂ 0,6 - 30, TiC 0,4 - 20, гарячому пресуванні при температурі 1800-2100^oC, питомому тиску пресування 200-300 кгс / мм² протягом 5-60 хв. Використовуються порошки вихідних компонентів з розмірами основної маси часток не більше 10 мкм. Евтектичну добавку отримують методом високотемпературного синтезу, механічною або термічної активацією. Спосіб дозволяє спростити виготовлення матеріалу при збереженні високої щільності. Мікротвердість матеріалу В4С - TiB2 - TiC 5100 - 6500 кгс / мм2, відносна щільність 99%, міцність на вигин 21 -28 кгс / мм2. 5 з.п.ф-ли, 1 табл.

Розділ 2

Об’єкт та методики дослідження

2.1 Обґрунтування вибору об’єкта дослідження

Одним із перспективних способів зміни поверхневих властивостей матеріалів є метод лазерного легування, який забезпечує підвищення зносотривкості поверхневих шарів за рахунок утворення композитної структури, яка складається з м’якої основи і твердих включень. Тверді включення приймають на себе основну частину діючого на матеріал навантаження та, крім того, є ефективними бар’єрами для рухомих дислокацій, що дозволяє різко зменшити опір пластичній деформації.

Як зміцнювальні фази для лазерного легування використовуються найрізноманітніші речовини, зокрема часто використовують нітриди чи карбіди Титану, інші тверді сполуки (бориди, карбіди та ін.), а також порошки елементів та їх суміші.

За висновками літературного огляду карбід бору володіє цілою низкою унікальних властивостей: висока мікротвердість, температурна стійкість, хімічна стійкість, та ін. Завдяки високій мікротвердості в поєднанні з низькою густиною та відносно низьким коефіцієнтом теплового розширення він має широкі перспективи застосування як компонент лазерного легування для підвищення зносотривкості та твердості поверхневих шарів матеріалів. Таке його застосування є мало дослідженим, тому у даній роботі за об’єкт металографічного та рентгенофазового досліджень було вибрано порошок карбіду Бору виробництва фірми Sigma-Aldrich. Ця фірма виготовляє порошок B₄C чистотою – 98%, його густина при 25 °C становить 2,51 г/мл.

Оскільки ефективність легування залежатиме не лише від режиму лазерної обробки, але і від чистоти, зернистості, гранулометричного складу порошку, то метою цієї роботи було дослідити розмірний та фазовий склад порошку карбіду Бору В₄Сз метою використання його для лазерного легування поверхні титанових сплавів для підвищення їх зносотривкості.

2.2. Методики металографічного дослідження порошку B₄C

2.2.1 Оптична мікроскопія

Для мікроскопічного дослідження порошку карбіду Бору використовували оптичний металографічний мікроскоп МЕТАМ-Р1, оснащений відеокамерою eTREK DCM520.

Мікроскоп металографічний Метам-Р1(рис.2.1) призначений для вивчення структури металів у відбитому світлі в світлому полі при прямому освітленні, в темному полі, а також в поляризованому світлі. Технічні характеристики мікроскопа наведені у таблиці 2.1.

Рисунок 2.1 – Оптичний мікроскоп МЕТАМ-Р1

Таблиця 2.1 – Технічні характеристики металографічного мікроскопа МЕТАМ – Р1:

Мікроструктуру зразків документували за допомогою цифрової камери–окуляра eTREK DCM520(рис.2.2) зі штатним програмним забезпеченням. Зображення обробляли прикладним пакетом Adobe Photoshop СS5. Цифрова CMOS камера eTREK DCM520 — універсальна електронно–оптична система з функцією поліпшення частотно–контрастної характеристики зображення для одержання більшої яскравості й контрасту під час фотографування мікрооб'єктів. Оптичні елементи об'єктива камери з повним багатошаровим просвітленням забезпечують максимально правильну передачу кольору, що дозволяє спостерігати зображення в реальному кольорі.

Рисунок 2.2 – Цифрова відеокамера eTREK DCM520

Камера eTREK DCM520 добре працює з усіма видами оптичних мікроскопів, комплектується програмним забезпеченням Image analyse, котре призначене для захоплення та первинної обробки зображень і дозволяє налаштовувати розмір та яскравість зображення й тривалість витримки

Визначення збільшення системи «мікроскоп – відеокамера»

2.2.2 Растрова електронна мікроскопія (РЕМ)

Електронномікроскопічний аналіз порошку проводили за допомогою настільного растрового електронного мікроскопа NeoScope JCM–5000 (рис. 2.6; табл. 2.1), котрий був наданий Національному університету «Львівська політехніка» фірмою «Tokyo Boeki CIS LTD» в рамках програми про співдружність [7].

Приготовлені для дослідження зразки закріплювали на підставках, встановлених на предметному столику у завантажувальному шлюзі мікроскопа.

1 – головний блок; 2 – шлюз завантажувальний для зразків;
3 – ПК Windows Vista

Рисунок 2.6 — Настільний растровий електронний мікроскоп
NeoScope JCM–5000 [7]

Таблиця 2.1 — Технічні характеристики настільного растрового електронного мікроскопа NeoScope JCM–5000 [7]

2.3 Методики визначення розмірів мікропорошків В₄С

2.3.1 Визначення розподілу частинок порошку за площею їх поперечного перерізу

Отримані за допомогою оптичної мікроскопії зображення будуть використовуватись для визначення розподілу мікрочастинок за площею їх поперечного перерізу за допомогою програмного забезпечення ImageJ(рис. 2.3).

ImageJ – це загальнодоступна, розроблена в National Institutes of Health, програма для аналізу зображень. За цією програмою можна обчислювати площі, статистичні показники у піксельних значеннях різних виділених вручну або за допомогою порогових функцій зон на зображеннях. Програма ImageJ підтримує стандартні функції обробки зображень, такі як: логічні і арифметичні операції із зображеннями, маніпуляції з контрастністю, Фур’є-аналіз, підвищення різкості, згладжування, виявлення границь тощо.

Рисунок 2.3 – Основне вікно програми ImageJ

Програма дозволяє вимірювати відстані й кути, проводити різні геометричні перетворення, такі як масштабування, поворот або віддзеркалення. Вона одночасно підтримує велику кількість зображень, обмеження пов'язане тільки з обсягом доступної пам'яті.

У нашій роботі ми використовували програму ImageJ для визначення Розмірного складу частинок, зокрема площу проекції кожної окремої частинки на поверхню, середню та загальну площу частинок, а також розподіл частинок за площею проекцій.

У програмі відкриваємо зображення за допомогою меню File – Open. Перед початком обрахунків потрібно виділити робочу область фотографії та обробити її.

Використовуючи функцію Threshold автоматично налаштовуємо верхні і нижні значення порога для сегментування потрібної області і заднього фону зображення. При заданні порогу на зображенні він, для зручності, виділяться червоним кольором, а задній фон залишається сірим(рис.2.4).

Рисунок 2.4 – Налаштування порогу відділення фону від зображення.

Діалогове вікно має два регулятора: перший використовується для регулювання мінімального (нижнього) порогового значення, другий, для налаштування максимального (верхнього) значення порогу. При застосуванні цього інструменти отримуємо зображення, підготовлене до обчислень(рис.2.5).

Рисунок 2.5 –Зображення підготовлене до обчислень

Тепер задаємо просторовий масштаб зображення, для цього використовується діалогове вікно Set Scale ( Analyze - Set Scale ). Перед запуском цієї команди потрібно задати початкові відстані. Для цього вибираємо інструмент «Лінія» на панелі інструментів та проводимо пряму лінію(рис 2.6). В діалоговому вікні Set Scale в вкладці Known Distance вводимо число, яке відповідає лінії на зображенні, а в полі Unit Length вводимо параметри вимірювання, в нашому випадку мікрометри.

Рисунок 2.6 – Налаштування просторового масштабу зображення

В робочому меню за допомогою функції Set Measurements вибираємо необхідні нам дані, а саме площу нашого зображення. Далі у вкладці Analyze particles вибираємо необхідні параметри(рис.2.7):

• у полі Size вказуємо межі розмірів частинок;

• поле Circularity виділяє для роботи об’єкти з певним рівнем еліптичності;

• вкладка Show дозволяє вибрати як відображати нове зображення (використовувалась опція Маsks);

• Еxclude on Edges дозволяє виключити з обчислень об’єкти, що доторкаються до країв зображення, або виходять за межі.

Рисунок 2.7 – Налаштування необхідних даних та параметрів

Застосувавши функцію Analyze particles отримуэмо результати обрахунків(рис.2.8).

Рисунок 2.8 – Результати обрахунків за допомогою програми ImageJ

В результаті обчислень отримуємо кількість частинок, площу кожної з них, загальну площу частинок та відсоток, що вони займають від загального розміру поверхні. Також можемо визначити усереднений розмір частинок.

2.3.2 Методика визначення розмірів частинок порошку методом стереометричної мікроскопії

Площі перерізів мікрочастинок визначали проектуванням мікрофотографії на екран з нанесеною на нього квадратною сіткою. На проекції підраховують число вузлових точок сітки, що потрапили на кожен переріз, яке пропорційне площі цих перерізів.

Перевага цього методу в тому, що форма вимірюваних перерізів в даному випадку значення не має і тривалість аналізу не залежить від складності форми перерізу. Збільшення квадратної сітки на екрані підбирають так, щоб в середньому на кожен переріз потрапляло 10-20 вузлових точок сітки (чим більше точок потрапляє в середньому на один переріз, тим точніший аналіз, але і тим довша процедура підрахунку точок) . Площа кожного перерізу дорівнює добутку числа вузлових точок сітки, які потрапили на нього на площу одного квадрата сітки.

Цей же спосіб можна застосувати при візуальному спостереженні структури через окуляр з квадратною сіткою або при вимірах на матовому склі камери мікроскопа з нанесеною на нього квадратною сіткою. Це можливо, але, якщо збільшення об'єктива дозволяє отримати зображення перетинів, на площу яких в середньому потрапляють 7-8 вузлових точок квадратної сітки.

2.4 Методика рентгеноструктурного аналізу порошку В₄С

У даній роботі проводився рентгеноструктурний аналіз порошку карбіду Бору на багатоцільовому рентгенівському дифрактометрі – ДРОН-3М(рис.2.4) за звичайною інструкцією, який застосовують для проведення широкого кола рентгеноструктурних досліджень[4].

Рис.2.4 – Загальний вигляд дифрактометра ДРОН-3М

Для отримання зразка порошок карбіду Бору наносимо на поверхню плавленого кварцю (рентгеноаморфного) і додаємо декілька крапель мурашиного спирту, чекаємо поки висохне. Отримуємо зразок завтовшки ~ 0,15мм(рис.2.5).

Рисунок2.5 – Зразок порошку В₄С для рентгеноструктурного аналізу

Для запису дифрактограми(рис.2.6) ми використовували випромінювання мідного аноду Сu К_α з довжиною хвилі – λ = 0,1541800 нм, напруга на трубці становила – 30 кВ, а сила струму I – 21 мА.

Розділ 3

Розмірний та фазовий склад порошку карбіду Бору В₄С фірми