Tecnoloxía e solucións de preparación para cerámica a proba de balas de carburo de boro prensada en quente

carburo de boro é un material cerámico sen óxido que se emprega amplamente nos campos da enerxía, o exército, a enerxía nuclear e as aplicacións a proba de balas debido ao seu alto punto de fusión, alta dureza, baixa densidade, boa estabilidade térmica, forte resistencia á erosión química e forte capacidade de absorción de neutróns. Coñecido como diamante negro, Carburo de boro é o terceiro material máis duro, despois do diamante e o nitruro de boro cúbico, o que o converte nun membro importante da familia de materiais superduros.

Na actualidade, os materiais a proba de balas de carburo de boro prepáranse principalmente mediante o método de sinterización, pero o carburo de boro é un material cerámico con fortes enlaces covalentes, os enlaces covalentes representan máis do 90 % e a plasticidade do carburo de boro é deficiente, a resistencia ao movemento do grao é moi grande e a tensión superficial é moi pequena no estado sólido, o que determina que o carburo de boro é un material cerámico extremadamente difícil de sinterizar. O carburo de boro puro adoita ter problemas como unha alta temperatura de sinterización, unha baixa densidade da cerámica obtida despois da sinterización e unha baixa tenacidade á fractura durante o proceso de sinterización. Na industria, tecnoloxías como a sinterización sen presión, a sinterización por compresión en quente, a sinterización isostática en quente e a sinterización por plasma de descarga úsanse xeralmente para mellorar as propiedades mecánicas do carburo de boro mediante a mellora do proceso de sinterización e a adición de aditivos de sinterización, sentando as bases para futuras investigacións sobre o proceso de sinterización de carburo de boro.

1. Sinterización sen presión

A sinterización sen presión de B4C puro é moi complexa; os defectos dos poros e a densidade son factores clave que afectan os indicadores de rendemento do boro. Cerámica de carburoA temperatura de sinterización e o tamaño das partículas do po son indicadores significativos que inflúen na densidade das cerámicas de carburo de boro. As investigacións indican que as condicións principais para a densificación por sinterización sen presión de carburo de boro puro son o uso de pos ultrafinos con baixo contido de osíxeno e un tamaño de partícula de ≤3 μm, xunto cun rango de temperatura de 2250 a 2350 °C. O proceso de sinterización sen presión de produtos de carburo de boro é sinxelo, con baixos custos de procesamento e non impón requisitos estritos ás condicións de sinterización, o que o fai axeitado para a produción de produtos de formas complexas e apropiado para a produción industrial a grande escala. É unha técnica de sinterización de uso común para a preparación de cerámica. Non obstante, debido á alta temperatura de sinterización, o crecemento do gran pode volverse facilmente anormal, o que dificulta o control do proceso de sinterización e leva a un rendemento inestable do produto.

2. Sinterización por prensado en quente

A prensaxe en quente ten como obxectivo mellorar a plasticidade do po en condicións de alta temperatura, coas vantaxes dunha baixa presión de conformado, unha pequena resistencia á deformación, unha alta densidade do produto, unha excelente microestrutura, etc., polo que a temperatura de sinterización do carburo de boro pódese reducir mediante o proceso de sinterización por prensaxe en quente.
En comparación coa simple prensaxe en quente, a combinación de sinterización en fase líquida e sinterización por prensaxe en quente reduce considerablemente a temperatura de sinterización e aumenta a densidade.
Normalmente, as condicións de sinterización por prensado en quente son: baleiro ou atmosfera inerte, presión de 20 a 40 MPa, temperatura de 2200 a 2300 °C e tempo de retención de 0,5 a 2 h. O carburo de boro é un composto con fortes enlaces covalentes, e a velocidade de difusión da sinterización é lenta a altas temperaturas, e o fluxo de material ocorre menos, o que dificulta moito o proceso de densificación.
Para reducir a temperatura de sinterización e a enerxía superficial e mellorar as propiedades integrais das cerámicas de carburo de boro, débense engadir aditivos para promover a sinterización por prensado en quente do carburo de boro. Os aditivos inclúen axudas de sinterización ou sinterización de reacción de segunda fase, que poden promover a sinterización, controlar o crecemento do gran, mellorar as propiedades mecánicas e obter produtos cerámicos de carburo de boro de alta densidade e alto rendemento en condicións de alta temperatura e presión. Na actualidade, os aditivos inclúen principalmente elementos metálicos (Fe, Al, Ni, Ti, Cu, Cr, etc.), óxidos metálicos (Al₂O/A₃, TiO2₂, etc.), carburos de metais de transición (CrC, VC, WC, TiC, etc.) e outros aditivos (AlF₃, MgF₂, Ser₂C, Si, etc.).
A sinterización por prensado en quente caracterízase por procesos complexos, altos requisitos de equipamento, altos custos de procesamento e baixa eficiencia de produción, e só pode preparar produtos con formas máis simples.

3. Sinterización por prensado isostático en quente

O prensado isostático en quente de carburo de boro implica prensar o po nun molde ou colocar a carga de po nun recipiente a presión sen necesidade de axudas de sinterización. Úsanse gases inertes como N2 ou Ar como medio para transmitir a presión, o que permite someter o po a unha presión isotrópica, o que reduce a temperatura de sinterización e dá lugar a materiais cerámicos de carburo de boro cunha microestrutura de gran fino, alta resistencia á flexión e densidade. As características do prensado isostático en quente inclúen unha microestrutura uniforme dos materiais cerámicos e un bo rendemento xeral, aínda que os custos do equipo son relativamente altos e só pode procesar pezas con formas simples.

4. Sinterización por plasma de descarga eléctrica

A sinterización por plasma de chispa (SPS) é unha nova tecnoloxía de sinterización rápida que integra a activación por plasma, o quentamento por resistencia e o prensado en quente. Caracterízase por unha velocidade de quentamento rápida, un tempo de sinterización curto, unha estrutura uniforme do gran, un arrefriamento rápido, presión aplicada, alta densidade de material e unha atmosfera de sinterización controlable. Este método utiliza eficazmente o autoquentamento do po e consegue un quentamento uniforme mediante a distribución dispersa dos puntos de descarga.