Tribological properties of ceramic borides materials up to 800°C

ABSTRACT: Ceramic borides materials have a unique properties such as high hardness, Young Modulus, chemical and oxidation resistance and high melting point. Particularly diborides are characterized by stability, thanks to strong chemical bonds and relations about atomic radius between metal and boron. Tantalum diboride have also high density and melting point above 3000°C. This properties makes TaB₂ potentially useful in application including defense and chemical industries, cutting tools, machine parts working at high temperatures. These applications requires to check selected properties of materials at high temperatures. This paper presents results of tribological research of tantalum diboride, using ball-on-disc method. The starting material is a sinter of TaB₂ obtained by reactive sintering using SPS method. Sintering parameters were 2100°C and 30 minutes. Obtained material has an apparent density of 11.22 g/cm³, the Young's modulus of 500 GPa and Vickers hardness of 19.5 GPa. Friction coefficient and wear indicator were determined. The tests were carried out in the range from room temperature up to 800°C. Microscopic observations and Vickers hardness after tribological tests were carried out. Friction coefficient of tantalum diboride compact at temperatures ranging from room temperature to 600°C was in the range from 0.57–0.75. Temperature increase to a value of 800°C resulted in a significant decrease in the value of the tested coefficient to 0.16. Wear rate of tantalum diboride samples decreased gradually with temperature increase of tribological tests (from 284 through 260 to 173 mm³/N·m). However at a temperature of 600°C and 800°C there was a rapid decrease in the wear ratio to the value of 32 mm³/N·m and 52 mm³/N·m.

KEYWORDS: transition-metal borides, tantalum diboride, tribological research, ceramic sinter.

STRESZCZENIE: Materiały ceramiczne o osnowie borków metali przejściowych charakteryzują się wysokim modułem Young’a i twardością, odpornością na działanie czynników chemicznych, odpornością na utlenianie, a także wysoką temperaturą topnienia. Szczególnie dwuborki metali grup IV, V i VI charakteryzują się trwałością ze względu na silne wiązania chemiczne. Dwuborek tantalu odznacza się dużą gęstością 12,65 g/cm³ oraz temperaturą topnienia powyżej 3000°C. Właściwości te determinują zastosowanie tego materiału w przemyśle zbrojeniowym, chemicznym oraz na narzędzia skrawające i części maszyn pracujące w wysokich temperaturach. Praca dotyczy badań właściwości tribologicznych dwuborku tantalu metodą ball-on-disc w temperaturach od pokojowej do 800°C. Materiał do badań stanowiły spieki dwuborku tantalu wytworzone metodą spiekania reakcyjnego SPS z mieszaniny proszków tantalu i boru. Procesy spiekania prowadzono w temperaturze 2100°C w czasie 30 minut. Otrzymane materiały charakteryzowały się gęstością 11,22 g/cm³, modułem Younga 500 GPa i twardością 19,5 GPa (HV1). Wyznaczono wartości współczynnika tarcia i wskaźnika zużycia w temperaturach pokojowej, 200°C, 400°C, 600°C, 800°C. Po przeprowadzonych testach tribologicznych powierzchnie próbek zostały poddane obserwacjom za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego oraz mikroanalizie rentgenowskiej EDS, a także pomiarom twardości. Współczynnik tarcia spieku dwuborku tantalu w temperaturach z zakresu od pokojowej do 600°C mieścił się w zakresie od 0,57 do 0,75. Podwyższenie temperatury do wartości 800°C spowodowało znaczący spadek badanego współczynnika do wartości 0,16. Ponadto stwierdzono obniżenie stopnia zużycia próbek dwuborku tantalu wraz ze wzrostem temperatury prób tribologicznych (od 284 przez 260, do 173 mm³/N·m). Zużycie tribologiczne próbek z dwuborku tantalu po próbach w temperaturze 600 i 800°C mieściło się w zakresie od 28,19 mm³/N·m do 52,20 mm³/N·m.

SŁOWA KLUCZOWE: borki metali przejściowych, dwuborek tantalu, test tribologiczny, spiek ceramiczny.

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

• CIAŚ A., FRYDRYCH H., PIECZONKA T., Zarys Metalurgii Proszków, Wyd. Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa, 1992.
• STOLARZ S., Wysokotopliwe związki i fazy, Katowice 1974, Wyd. Śląsk.
• KLIMCZYK P., Badania tribologiczne ceramiki narzędziowej metodą Ball-on-Disc, W: Mechanik, R. 85, Nr 11, s. 953-956,
• ZHANG X., HILMAS G.E., FAHRENHOLTZ G., Synthesis densification, and mechanical properties of TaB2, W: Mater Lett 2008;62:4251–3.
• FIGIEL P., ROZMUS M., SMUK B., Properties of alumina ceramics obtained by conventional and non-conventional methods for sintering ceramics. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Vol. 48, nr 1, 2011, str. 29-34.

DOI: http://dx.doi.org/10.17814/mechanik.2015.2.89