Взаимодействие карбида кремния с расплавленными алюмосиликатными стеклами

Изучение взаимодействия зерна карбида кремния проводилось с использованием алюмосиликатных стекол, состав которых представлен в табл. 2.61, с привлечением современных методов локального анализа [95).

Определение смачивания и работы адгезии проведено по методике [244|. Значения краевых углов смачивания и работы адгезии исследованных стекол представлены в табл. 2.62.

Как видно из табл. 2.61 и 2.62, состав стекол (независимо от температуры) существенно влияет на смачивание поверхности карбида кремния. Так, Таблица 2. 6 1.

Химический состав стекол, %.

Значения краевых углов смачивания и работы адгезии.

изменение содержания в составе стекла В₂0₃ от 10 до 38,2% приводит к значительному уменьшению угла смачивания в пределах 114—13° (стекла № 1—4); соответственно, работа адгезии этих стекол возрастает от 215 до 323 эрг/см². Увеличение содержания в стекле № 4 В₂0₃ до 38,2% незначительно понижает работу адгезии, что, по-видимому, связано с незначительным уменьшением угла смачивания и с небольшим увеличением поверхностного натяжения. Увеличение содержания А1₂0₃ в стекле № 5 по сравнению, например, со стеклом № 2 ухудшает смачивание (в₁₃₀₀*_с = 60°). С повышением температуры от 900 до 1300 °C краевой угол смачивания стекол № 1−5 уменьшается от 122 до 60°.

Для изучения влияния щелочных оксидов на смачивание карбида кремния были выбраны стекла, содержащие 20% В₂0₃. При увеличении в таких связках содержания К, О от 4 до 11% (стекла № 2, 6−8) краевой угол смачивания изменяется от 108 до 26 град, а работа адгезии возрастает от 244 до 560 эрг/см². Увеличение содержания в стекле Na, 0 от 2,62 до 10,2% (стекла № 2, 9—11) снижает угол смачивания от 108 до 30°; при этом работа адгезии возрастает от 224 до 500 эрг/см². Таким образом, стекла с повышенным содержанием К₂0 более адгезионно-активны по отношению к карбиду кремния, чем стекла с повышенным содержанием Na₂0.

Введение

в состав стекла оксида Li, 0 в количестве от 1 до 5% (стекла № 12—14) сопровождается уменьшением краевого угла смачивания от 88 до 10 град и увеличением работы адгезии от 402 до 600 эрг/см².

Увеличение содержания А1₂0₃ в стеклах № 15, 16 по сравнению, например, со стеклом № 14 практически не влияет на смачивающую способность этих стекол.

Таким образом, проведенные исследования показали, что смачиваемость карбида кремния алюмосиликатными стеклами возрастает по мере введения в них оксидов щелочных металлов в следующем порядке: Na₂0 —> К₂0 —" В₂0₃—> -" Li₂0. Величина работы адгезии опробованных алюмосиликатных стекол к поверхности карбида кремния составляет 215−600 эрг/см²; повышение температуры увеличивает работу адгезии.

Для изучения изменений, происходящих на контакте карбида кремния со связкой, был применен локальный лазерный микроспектральный анализ и электронный микрорентгеноспектральный анализ.

Локальный микроспектральный анализ производили на установке системы Королева [96| при возбуждении микропроб ‘‘гигантскими" лазерными импульсами (серия из шести импульсов), спектры фотографировались на кинопленку УФШ-0 чувствительностью 1000 единиц. Образцами служили разрезы пластинчатых кристаллов карбида кремния с расплавленной на их поверхности связкой, шлифованные и полированные по методике (214|.

Анализу подвергались два вида образцов:

образец, на котором анализировались участки чистой связки, границы кристалл SiC — связка и участки SiC, расположенные на различных расстояниях от границы раздела фаз;

образец, с которого была удалена расплавившаяся связка и анализировались чистая поверхность SiC и поверхность SiC с оставшейся связкой.

Интенсивность аналитических линий в полученных спектрах измеряли на двухлучевом регистрирующем микрофотометре ИФО-451. Регистрограммы спектральных линий приведены на рис. 2.25.

Электронный микрорентгеноспектральный анализ проводился на приборе Сатеса по методике |97|. Изучалось изменение концентрации элементов, входящих в связку (Si, В), и элементов, входящих в карбид кремния (Si, С).

При исследовании лазерных спектров анализируемых образцов и рассмотрении полученных регистрограмм обнаружено, что интенсивность линий бора В.

Рис. 2.25. Регистрограммы спектральных линий Si, В, С и Na в спектрах различных микроучастков исследованного образца, полученных на лазерной микроспектральной установке:

а — интенсивность спектральных линий В 249,7 нм: Si 250,7 нм; С 247,8 нм; б — интенсивность спектральной линии Na 330,2 нм; /— участок связки; II — граница связки и SiC;

/// — 20 мкм от границы; IV— 40 мкм от границы в спектрах микроучастков карбида кремния уменьшается с удалением зоны исследования от связки. Линия В наблюдается еще в спектре микроучастка карбида кремния, находящегося на расстоянии до 40 мкм от границы SiC со связкой. Изменение интенсивности спектральной линии бора как в радиальном направлении, так и на глубину на расстояние 40 мкм позволяет сделать вывод о наличии диффузии бора из связки в карбид кремния.

При проведении электронного микрорснтгеноспектрального анализа также обнаружена диффузия бора из связки в карбид кремния на глубину 25— 30 мкм. Диффузия элементов из карбида кремния в связку не наблюдалась. Линии Li, Na, К наблюдались в спектре микроучастка карбида кремния, находящегося на расстоянии 20 мкм от границы зерна SiC со связкой |98|.

Таким образом, установлено, что алюмосиликатные стекла адгезионно-активны по отношению к карбиду кремния; содержащийся в них бор диффундирует в кристаллы SiC, что улучшает их сцепление со связкой; разложение карбида кремния алюмосиликатными стеклами не обнаружено. Все это позволяет рекомендовать алюмосиликатные стекла в качестве основных компонентов керамических связок в производстве абразивного инструмента из карбида кремния.