Ultra-low temperature spark plasma sintering of super wear-resistant hard B4C composites

Abstract

Se ha investigado la viabilidad de fabricar materiales compuestos de B4C duros y superresistentes al desgaste mediante sinterización por plasma de chispa (SPS) a temperatura ultra baja (es decir, 1400 °C) utilizando proporciones muy elevadas de coadyuvantes de MoSi2 (es decir, 35-50 vol.%). Se demuestra que con 40 vol.% de coadyuvantes de MoSi2 ya se forma in situ suficiente fase líquida transitoria de Si durante la SPS (por la reacción B4C + 2MoSi2 → SiC + 2MoB2 + 3Si) para lograr la densificación completa ultrarrápida de B4C a 1400 °C, el punto de fusión del Si, simplemente por llenado de poros, reordenación de partículas y propagación del líquido. También se ha demostrado que los materiales compuestos de B4C resultantes son duros (≈23 GPa) y superresistentes al desgaste (∼107 GPa). Los compuestos de B4C resultantes son duros (∼10 7 (N m)/mm 3) y superresistentes al desgaste ( ∼10 7 (N m)/mm 3 ), atributos ambos derivados de la microestructura cuadruplexiparticulada (es decir, B4C más β-SiC, β-MoB2 y MoSi2), de grano fino (es decir, < 1 μm) y totalmente densa. Por lo tanto, este trabajo abre una nueva vía para la fabricación actual y futura a bajo coste de nuevos compuestos de B4C para su uso en aplicaciones mecánicas de contacto y tribológicas.

The feasibility was investigated of fabricating super wear-resistant hard B4C composites by spark plasma sintering (SPS) at ultra-low temperature (i.e., 1400 °C) using very high proportions of MoSi2 aids (i.e., 35–50 vol.%). It is shown that with 40 vol.% MoSi2 aids already sufficient Si transient liquid phase is formed in situ during SPS (by the reaction B4C + 2MoSi2 → SiC + 2MoB2 + 3Si) to achieve the ultrafast full densification of B4C at 1400 °C, the Si melting point, simply by pore filling, particle rearrangement, and liquid spreading. Importantly, it is also shown that the resulting B4C composites are hard (i.e., ≈23 GPa) and super wear-resistant (i.e., ∼10 7 (N m)/mm 3), attributes both deriving from the composites’ quadruplex- particulate (i.e., B4C plus β-SiC, β-MoB2, and MoSi2), fine-grained (i.e., < 1 μm), fully-dense microstructure. Thus, this work opens a new avenue for the present and future lower-cost fabrication of novel B4C composites for use in contact-mechanical and tribological applications.