Температура плавления и микротвердость некоторых карбидов, боридов и силицидов

Металл	Температура плавления, ºC				Микротвердость, МПа
	металла	борида	карбида	нитрида	борида	карбида	нитрида
Ti	1668	2980	3150	2950	32370	24230	19560
V	1920	2400	2810	2180	27470	20540	15000
Zr	1852	3040	3530	2980	34000	28960	15000
Nb	2470	3000	3480	2200	25510	19240	14000
Mo	2620	2100	2690	–	23050	14790	–
W	3380	2370	2720	–	26120	17460	–

1.10.2. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) основан на явлении распространения фронта горения в порошках некоторых химических элементов, в результате сильной экзотермичности при взаимодействии этих элементов с бором, углеродом, азотом, кремнием и другими металлоидами. Обобщенная химическая схема процесса может быть представлена следующим образом:

Σa_i X_i + Σb_iY_i = Z + Q, (1.27)

где Х – Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W и другие металлы; Y – B, C, N, Si, и другие элементы; Z – бориды, карбиды, нитриды, силициды и другие соединения металлов, а также твердые растворы или интерметаллиды; Q – тепловой эффект. Элементы «Х» обычно применяют в виде порошков, «Y» ‑ в порошкообразном, газообразном или жидком состояниях. Получаемый продукт «Z» является тугоплавким соединением и обычно находится в твердом состоянии. В зависимости от ведущей реакции горения и агрегатного состояния реагентов все СВС ‑ системы делят на четыре класса: безгазовые, фильтрационные, газовыделяющие и металлотермические.

В безгазовых системах исходные компоненты, промежуточные и конечные продукты находятся в твердом или жидком состояниях. Возможно незначительное газовыделение, вызванное очисткой от примесей. Синтез проводят в вакууме или в инертном газе. Состав продуктов горения практически не зависит от атмосферы процесса.

Фильтрационный синтез протекает в гибридной системе металл-газ, при этом состав продуктов горения, а также параметры процесса сильно зависят от давления и состава газовой фазы. На доставку (фильтрацию) газа в зону горения существенно влияют габариты и пористость сбрикетированного металлического порошка.

Газовыделяющими являются системы с легколетучими компонентами – серой, селеном, фосфором и сжиженным газом (жидким азотом). В этом случае синтез проводят в герметичных емкостях, полностью заполненных исходными твердыми компонентами для того, чтобы при испарении образующийся газ не покидал реакционный объем, а оставался в порах.

Металлотермические системы характерны тем, что горение имеет две принципиально различные химические стадии: восстановление оксидов и последующее взаимодействие продуктов восстановления между собой и со специальными добавками, вводимыми в шихту. Восстановителями в этих системах могут быть магний или алюминий.

Схема СВС процесса показана на рис. 1.16.

Рис. 1.16. Схема СВС – технологии получения порошка

Синтез проводится в реакторе (рис. 1.17). Реакционная зона реактора имеет обычно объем от 1 до 30 л. Внутреннее устройство реактора зависит от типа синтезируемого продукта. При синтезе карбидов, боридов или силицидов внутреннюю поверхность реактора футеруют графитом. При синтезе нитридов и гидридов реактор оснащают специальным устройством для подачи реагирующего газа в зону реакции. После загрузки шихты реактор закрывают и, в зависимости от специфики процесса, вакуумируют, или заполняют инертным газом. Инициирование начала процесса осуществляют с пульта управления подачей кратковременного электрического импульса на вольфрамовую спираль, касающуюся исходной шихты. В начале синтеза возникает яркое свечение фронта горения, поскольку температура процесса составляет, в зависимости от системы, 1500-4000 ºC. Светящаяся зона распространяется вглубь шихты со скоростью 0,005 – 0,15 м/c.

Рис. 1.17. Схема СВС - реактора: 1 – корпус; 2 – графитовая

футеровка; 3 – реакционная шихта; 4 – грибковый затвор;

5 – газораспределительный узел

Степень превращения исходных продуктов при СВС зависит от термодинамических и кинетических ограничений. Изменяя дисперсность реагентов, размер и плотность порошкового тела, теплоотдачу с поверхности и температуру горения, можно в широких пределах регулировать процесс СВС. В результате получают однофазные соединения с уровнем чистоты не ниже чистоты исходных реагентов. Высокое качество получаемых продуктов, простота аппаратурного оформления, высокие скорости синтеза, минимальные энергозатраты обеспечивают расширение промышленного применения СВС.