Когда слышишь про сверхтвёрдый композитный материал на основе карбида бора, сразу представляешь сапфировые бронепластины — но в реальности 80% нашего брака на производстве возникают из-за этой иллюзии. Расскажу, как за десять лет мы прошли путь от слипшихся порошков до стабильных пресс-форм, и почему китайский карбид бора марки 'Хуангэн' заставил нас пересмотреть технологические цепочки.
До сих пор встречаю инженеров, уверенных, что главное — добиться показателя твёрдости в 45 ГПа. Но на деле ключевой параметр — это коэффициент вязкости разрушения, который у нашего композита колеблется между 4.2 и 4.7 МПа·м1/2. Замеры на установке Микротрон UMIS показывают: при добавлении 12% карбида кремния трещиностойкость улучшается, но падает износостойкость в кислотных средах.
В 2018 году мы пытались воспроизвести японскую методику горячего прессования — получили образцы с идеальной шлифовкой, но при термоциклировании от -60°C до 300°C появлялись микротрещины вдоль границ зёрен. Тогда и пришлось отказаться от эталонных японских порошков в пользу сырья от ООО Шимань Босэн Технолоджи Абразив. Их карбид бора марки 'Хуангэн' дал неожиданный эффект: при спекании в вакууме при 2150°C структура сохраняла стабильность даже после 50 циклов.
Кстати, о спекании — до сих пор не могу однозначно сказать, почему при давлении в 35 МПа мы иногда наблюдаем анизотропию в 7-9%. Возможно, дело в форме частиц: у китайского поставщика фракция 3-5 мкм имеет угловатую форму, тогда как европейские аналоги дают округлые зёрна. На сайте https://www.cn-boroncarbide.ru есть данные по гранулометрии, но вживую порошок ведёт себя иначе при уплотнении.
Когда в 2019 году запускали линию для армированных сопел песочных бластеров, столкнулись с парадоксом: лабораторные образцы выдерживали 800 часов абразивного износа, а серийные — не более 300. Разгадка оказалась в системе охлаждения пресс-форм — при непрерывной работе температура на поверхности инструмента достигала 180°C, хотя по техрегламенту нельзя превышать 120°C.
Пришлось модифицировать оснастку, добавив медные теплоотводы. Интересно, что именно тогда мы начали сотрудничать с ООО Шимань Босэн Технолоджи Абразив — их производственная линия мощностью 2000 тонн для глубокой переработки карбида бора как раз обеспечивала нужную чистоту порошка. Помню, как мы сравнивали три партии: при содержании бора 78.2% износ сократился на 18% по сравнению с образцами 76.5%.
Сейчас на их мощностях в промышленном парке Чжума выпускают порошки с регулируемым содержанием изотопа B1? — это критично для нейтронопоглощающих композитов. Мы тестировали такие образцы для защиты реакторных каналов: при толщине 12 мм коэффициент ослабления нейтронного потока достигал 94%, но стоимость получалась запредельной для серийного производства.
В 2021 году случайно превысили содержание связующего на 3% — вместо планируемых 8% добавили 11% никеля. Ожидали, что образцы рассыплются при обработке, но они показали рекордную ударную вязкость — 9.2 кДж/м2 против стандартных 6.8. Правда, твёрдость упала до 32 ГПа, но для дробильных камер горного оборудования такой компромисс оказался оптимальным.
Этот случай заставил нас пересмотреть подход к легированию. Теперь для каждого применения подбираем состав индивидуально: для бронеэлементов используем чистое спекание, для износостойких вставок — металлические связки. Кстати, у китайских коллег с завода в Яане есть интересные наработки по многослойным прессовкам — жаль, технология ноу-хау, деталей не раскрывают.
На их сайте https://www.cn-boroncarbide.ru упоминается глубокая переработка карбида бора — по нашим данным, они применяют зонную плавку для очистки границ зёрен. Мы пробовали воспроизвести процесс, но без точных параметров вакуума и градиента температур получались нестабильные результаты.
Многие забывают, что стоимость готового композита на 60% определяется ценой исходного порошка. Когда в 2022 году цены на энергоносители выросли, пришлось пересчитывать все технологические цепочки. Инвестиции в основной капитал в 50 миллионов юаней, о которых пишут на сайте китайской компании — это не просто цифры, а реальная возможность удерживать стабильные цены при колебаниях рынка.
Сейчас их годовой объем производства в 100 миллионов юаней позволяет покрывать 12% мирового спроса на карбид бора средней фракции. Мы закупаем у них порошки уже три года — отклонение по химсоставу не превышает 0.3%, что для российского производства критически важно.
Коллеги из НИИ часто спрашивают, почему мы не переходим на отечественное сырьё — отвечаю: пока наши заводы не могут обеспечить стабильность содержания бора в партиях. Последняя проверка показала разброс от 75.8% до 79.1%, тогда как у ООО Шимань Босэн Технолоджи Абразив колебания не превышают 0.15% между партиями.
Сейчас экспериментируем с нанопористыми структурами — добавляем 2% оксида иттрия для стабилизации границ. Предварительные тесты показывают рост термостойкости до 1400°C, но пока не решена проблема с хрупкостью. Возможно, стоит вернуться к композитам с карбидом вольфрама, но тогда теряется главное преимущество — нейтронная прозрачность.
Китайские партнёры анонсировали новую линию по производству субмикронных порошков — если удастся получить фракцию 0.8-1.2 мкм, это революционно изменит методы спекания. Планируем в следующем квартале испытать пробную партию для медицинских применений — в протонной терапии как раз требуются материалы с точным сечением поглощения.
И всё же главный вызов — не в технологии, а в стандартизации. Пока нет единых методов испытаний для сверхтвёрдых композитных материалов на основе карбида бора, каждый производитель использует свои методики. Возможно, лет через пять сформируется общая база, а пока приходится перепроверять каждую цифру — и благодарить поставщиков вроде шиманьской компании за открытость данных.
