Unlubricated sliding wear of B4C composites spark-plasma sintered with Si aids and of their reference B4C monoliths

Abstract

Two fully-dense B4C–SiC composites were fabricated by spark-plasma sintering (SPS) from B4C+Si powders, one superhard (i.e., ∼28.7(8) GPa) with abundant SiC by SPS of B4C+20vol%Si at 1400 °C and the other ultrahard (i.e., ∼35.1(4) GPa) with little SiC by SPS of B4C+4.28vol%Si at 1800 °C, and their unlubricated sliding wear was investigated and compared with those of the reference B4C monoliths. It was found that the two B4C–SiC composites underwent mild tribo-oxidative wear with preferential removal of the oxide tribolayer, with the one SPS-ed at 1400 °C from B4C+20vol%Si being, despite its lower hardness and greater proneness to form oxide tribolayer, only slightly less wear resistant than the one SPS-ed at 1800 °C from B4C+4.28vol%Si (i.e., ∼1.0(5)·107 vs 1.37(8)·107 (N⋅m)/mm3). The reference B4C monolith SPS-ed at 1400 °C is comparatively two orders of magnitude less wear resistant (i.e., ∼1.70(6)·105 (N⋅m)/mm3), attributable to its undergoing severe purely mechanical wear by microfracture-dominated three-body abrasion due to its very poor sintering (i.e., high porosity of ∼33.5 %), poor grain cohesion, and low hardness (i.e., ∼3.1(5) GPa). The reference B4C monolith SPS-ed at 1800 °C, while equally or less hard (i.e., ∼28.4(9) GPa) and slightly porous (i.e., ∼5.3 %), is somewhat more wear resistant (∼1.8(3)·107 (N⋅m)/mm3) than the B4C–SiC composites, attributable to its undergoing only mild purely mechanical wear by plasticity-dominated two-body abrasion without porosity-induced grain pull-out, but it requires SPS temperatures well above 1400 °C. Finally, relevant implications for the ceramics and hard-materials communities with interests in tribological applications are discussed.

Se fabricaron dos materiales compuestos de B4C-SiC totalmente densos mediante sinterización por chispa-plasma (SPS) a partir de polvos de B4C+Si, uno superduro (es decir, ∼28,7(8) GPa) con abundante SiC mediante SPS de B4C+20vol%Si a 1400 °C y el otro ultraduro (es decir, ∼35,1(4) GPa) con poco SiC por SPS de B4C+4,28vol%Si a 1800 °C, y se investigó su desgaste por deslizamiento sin lubricación y se comparó con el de los monolitos de B4C de referencia. Se descubrió que los dos compuestos de B4C-SiC sufrían un desgaste tribo-oxidativo leve con eliminación preferente de la tri-capa de óxido, siendo el SPS-ed a 1400 °C de B4C+20vol%Si, a pesar de su menor dureza y mayor propensión a formar tri-capa de óxido, sólo ligeramente menos resistente al desgaste que el SPS-ed a 1800 °C de B4C+4,28vol%Si (es decir, ∼1,0(5)-107 frente a 1,37(8)-107 (N⋅m)/mm3). El monolito B4C de referencia SPS-ed a 1400 °C es comparativamente dos órdenes de magnitud menos resistente al desgaste (es decir, ∼1,70(6)-105 (N⋅m)/mm3), atribuible a que está sometido a un severo desgaste puramente mecánico por abrasión de tres cuerpos dominada por microfracturas debido a su muy mala sinterización (es decir, alta porosidad de ∼33,5 %), escasa cohesión de grano y baja dureza (es decir, ∼3,1(5) GPa). El monolito de referencia de B4C sometido a SPS a 1800 °C, aunque es igual o menos duro (es decir, ∼28,4(9) GPa) y ligeramente poroso (es decir, ∼5,3 %), es algo más resistente al desgaste (∼1,8(3)-107 (N⋅m)/mm3) que los compuestos de B4C-SiC, lo que se atribuye a que sólo sufre un desgaste puramente mecánico leve por abrasión de dos cuerpos dominada por la plasticidad sin porosidad pero requiere temperaturas de SPS muy superiores a 1400 °C. Por último, se discuten las implicaciones relevantes para las comunidades de cerámicas y materiales duros con intereses en aplicaciones tribológicas.