Herstellungstechnologien und Lösungen für heißgepresste kugelsichere Borcarbidkeramiken

Borcarbid Es handelt sich um einen nichtoxidischen Keramikwerkstoff, der aufgrund seines hohen Schmelzpunkts, seiner hohen Härte, seiner geringen Dichte, seiner guten thermischen Stabilität, seiner starken chemischen Beständigkeit und seiner hohen Neutronenabsorptionsfähigkeit in den Bereichen Energie, Militär, Kernenergie und Kugelschutz weit verbreitet ist. Bekannt als schwarzer Diamant. Borcarbid Es ist nach Diamant und kubischem Bornitrid das dritthärteste Material und somit ein wichtiges Mitglied der Familie der superharten Materialien.

Derzeit werden kugelsichere Werkstoffe aus Borcarbid hauptsächlich durch Sintern hergestellt. Borcarbid ist jedoch ein keramischer Werkstoff mit starken kovalenten Bindungen (über 90 %), geringer Plastizität, hohem Verformungswiderstand und sehr niedriger Oberflächenspannung im festen Zustand. Dies macht das Sintern von Borcarbid zu einem äußerst schwierig zu bearbeitenden keramischen Werkstoff. Reines Borcarbid weist üblicherweise Probleme wie hohe Sintertemperaturen, geringe Dichte des gesinterten Materials und geringe Bruchzähigkeit während des Sinterprozesses auf. In der Industrie werden daher Technologien wie druckloses Sintern, Heißpressen, heißisostatisches Sintern und Plasmaentladungssintern eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften von Borcarbid durch Optimierung des Sinterprozesses und Zugabe von Sinteradditiven zu verbessern. Dies bildet die Grundlage für weitere Forschungen zum Sinterprozess von Borcarbid.

1. Druckloses Sintern

Das drucklose Sintern von reinem B4C ist sehr anspruchsvoll; Porendefekte und Dichte sind Schlüsselfaktoren, die die Leistungsindikatoren von Bor beeinflussen. HartmetallkeramikSintertemperatur und Pulverpartikelgröße sind wichtige Indikatoren für die Dichte von Borcarbidkeramik. Untersuchungen zeigen, dass die primären Bedingungen für die drucklose Sinterverdichtung von reinem Borcarbid die Verwendung ultrafeiner Pulver mit niedrigem Sauerstoffgehalt und einer Partikelgröße von ≤ 3 μm sowie ein Temperaturbereich von 2250 bis 2350 °C sind. Das drucklose Sintern von Borcarbidprodukten ist ein unkompliziertes Verfahren mit geringen Verarbeitungskosten und stellt keine strengen Anforderungen an die Sinterbedingungen. Dadurch eignet es sich für die Herstellung komplex geformter Produkte und ist für die industrielle Großproduktion geeignet. Es ist ein gängiges Sinterverfahren zur Herstellung von Keramik. Aufgrund der hohen Sintertemperatur kann es jedoch leicht zu unkontrolliertem Kornwachstum kommen, was den Sinterprozess schwer kontrollierbar macht und zu instabilen Produkteigenschaften führen kann.

2. Heißpresssintern

Das Heißpressen dient dazu, die Plastizität von Pulver unter Hochtemperaturbedingungen zu verbessern und bietet Vorteile wie niedrigen Formdruck, geringen Verformungswiderstand, hohe Produktdichte, ausgezeichnete Mikrostruktur usw., sodass die Sintertemperatur von Borcarbid durch das Heißpresssinterverfahren gesenkt werden kann.
Im Vergleich zum einfachen Heißpressen reduziert die Kombination aus Flüssigphasensintern und Heißpresssintern die Sintertemperatur erheblich und erhöht die Dichte.
Die üblichen Bedingungen für das Heißpresssintern sind: Vakuum oder Inertgasatmosphäre, Druck 20–40 MPa, Temperatur 2200–2300 °C und Haltezeit 0,5–2 h. Borcarbid ist eine Verbindung mit starken kovalenten Bindungen. Bei hohen Temperaturen verläuft die Sinterdiffusion langsam, der Materialfluss ist geringer und der Verdichtungsprozess wird dadurch erheblich erschwert.
Um die Sintertemperatur und die Oberflächenenergie zu senken und die Eigenschaften von Borcarbidkeramiken zu verbessern, müssen Additive hinzugefügt werden, die das Heißpresssintern von Borcarbid fördern. Zu diesen Additiven zählen Sinterhilfsmittel oder solche, die das Zweiphasenreaktionssintern unterstützen. Sie fördern das Sintern, kontrollieren das Kornwachstum, verbessern die mechanischen Eigenschaften und ermöglichen die Herstellung hochdichter, leistungsstarker Borcarbidkeramikprodukte unter hohen Temperatur- und Druckbedingungen. Derzeit werden hauptsächlich Metallelemente (Fe, Al, Ni, Ti, Cu, Cr usw.) und Metalloxide (Al) verwendet.₂DER₃, TiO₂usw.), Übergangsmetallcarbide (CrC, VC, WC, TiC usw.) und andere Additive (AlF₃, MgF₂, Sei₂C, Si usw.).
Das Heißpresssintern ist durch komplexe Prozesse, hohe Anforderungen an die Ausrüstung, hohe Verarbeitungskosten und geringe Produktionseffizienz gekennzeichnet und kann nur Produkte mit einfacheren Formen herstellen.

3. Heißisostatisches Presssintern

Beim Heißisostatischen Pressen von Borcarbid wird das Pulver in eine Form gepresst oder in einen Druckbehälter gegeben, ohne dass Sinterhilfsmittel benötigt werden. Inertgase wie Stickstoff (N₂) oder Argon (Ar) dienen als Druckübertragungsmedium. Dadurch wird das Pulver einem isotropen Druck ausgesetzt, was die Sintertemperatur senkt und zu Borcarbid-Keramiken mit feinkörnigem Gefüge, hoher Biegefestigkeit und Dichte führt. Zu den Vorteilen des Heißisostatischen Pressens zählen ein gleichmäßiges Gefüge der Keramiken und gute Gesamteigenschaften. Allerdings sind die Anlagenkosten relativ hoch, und das Verfahren eignet sich nur für die Verarbeitung von Teilen mit einfachen Formen.

4. Elektrisch-entladenes Plasmasintern

Das Funkenplasmasintern (SPS) ist eine neuartige Schnellsintertechnologie, die Plasmaaktivierung, Widerstandsheizung und Heißpressen kombiniert. Es zeichnet sich durch eine hohe Aufheizrate, kurze Sinterzeit, ein gleichmäßiges Korngefüge, schnelle Abkühlung, Anpressdruck, hohe Materialdichte und eine kontrollierbare Sinteratmosphäre aus. Das Verfahren nutzt die Eigenerwärmung des Pulvers effektiv und erzielt durch die disperse Verteilung der Entladungspunkte eine gleichmäßige Erwärmung.