Борид вольфрама

Борид вольфрама вы можете приобрести у нас, оформив заявку на сайте

Бориды вольфрама — семейство тугоплавких неорганических соединений вольфрама с бором. В промышленности применяют три основные фазы: W₂B (борид дивольфрама), WB (моноборид вольфрама) и W₂B₅ (пентаборид дивольфрама). Каждая фаза имеет собственную кристаллическую структуру, температуру плавления и область применения. Поставляются в виде порошка и мишеней для напыления.

Фазовая система W–B: основные соединения

Бинарная система вольфрам–бор образует несколько термодинамически устойчивых фаз. Три из них производятся промышленно и поставляются как отдельные продукты:

• W₂B — борид дивольфрама. Наибольшее массовое содержание вольфрама в ряду боридов. Тугоплавкая фаза с металлоподобной электропроводностью.
• WB — моноборид вольфрама. Полиморфная фаза с тремя модификациями; сочетает высокую твёрдость и умеренную тугоплавкость.
• W₂B₅ — пентаборид дивольфрама. Наибольшее относительное содержание бора; представляет интерес для ядерной техники и нанесения покрытий.

Разграничение фаз принципиально важно при выборе материала под конкретную задачу: свойства W₂B и W₂B₅ существенно различаются по температуре плавления, твёрдости и химической стойкости.

Кристаллическая структура

Фаза	Сингония	Тип структуры	Внешний вид
W₂B	Тетрагональная	Тип CuAl₂	Серо-чёрный порошок
α-WB	Тетрагональная	Тип α-MoB	Серые кристаллы
β-WB	Ромбическая	Тип CrB	Серые кристаллы
W₂B₅	Гексагональная	Тип ε-фазы	Серые кристаллы

Моноборид WB существует в трёх полиморфных модификациях: низкотемпературная α-WB (тетрагональная), высокотемпературная β-WB (ромбическая) и δ-WB (тетрагональная). Переход α→β происходит при температуре около 1850°C. Параметры элементарной ячейки α-WB: a = 0,310–0,312 нм, c = 1,691–1,695 нм.

Физические свойства боридов вольфрама

Температуры плавления

Фаза	Температура плавления, °C	Характер плавления
W₂B	~2670	Конгруэнтное
WB	~2655	Конгруэнтное
W₂B₅	~2327	Конгруэнтное; в атмосфере аргона заметно разлагается при ~1810°C

Температуры плавления эвтектик между тремя боридами превышают 2000°C, что обусловливает высокотемпературную устойчивость спечённых смешаннофазных материалов. Для сравнения: температура плавления самого вольфрама — 3422°C, поэтому бориды уступают чистому металлу по тугоплавкости, но превосходят его по твёрдости.

Твёрдость и механические свойства

Определяющее свойство боридов вольфрама — высокая твёрдость, обусловленная ковалентными связями B–B и W–B в кристаллической решётке. Значения твёрдости по Виккерсу существенно зависят от фазового состава и формы материала (монокристалл, поликристаллический спечённый образец, тонкая плёнка):

• W₂B (объёмный материал) — ~12–13 ГПа;
• WB и WB₂ (монокристаллы) — ~20 ГПа;
• WBx-покрытия (тонкие плёнки, магнетронное напыление) — 45–50 ГПа.

Твёрдость плёнок значительно превышает твёрдость объёмных образцов за счёт нанокристаллической структуры и сжимающих остаточных напряжений. Высокобористые фазы WB₄ достигают ~30 ГПа в объёмной форме и относятся к классу сверхтвёрдых материалов.

Плотность моноборида WB составляет 15,73 г/см³.

Электрические свойства

Бориды вольфрама обладают металлоподобной электропроводностью. Удельное электрическое сопротивление δ-WB — около 0,1 мОм·см, W₂B₅ — около 21 мкОм·см. Сверхпроводимость в боридах вольфрама не обнаружена вплоть до температур ниже 1,8 К.

Химическая стойкость

Бориды вольфрама нерастворимы в воде и устойчивы к большинству кислот при умеренных температурах. Растворяются в царской водке (смесь концентрированных HNO₃ и HCl). Не разлагаются в вакууме при температурах ниже точки плавления соответствующей фазы.

Заметное окисление W₂B, WB и WB₂ начинается при температуре выше 600°C на воздухе. Конечные продукты окисления — WO₃ и, вероятно, аморфный B₂O₃ или H₃BO₃. При высокотемпературном применении на воздухе необходима защитная атмосфера или герметизация.

Получение боридов вольфрама

В зависимости от требуемого фазового состава и чистоты применяют несколько методов синтеза.

Прямой синтез из элементов. Смесь порошков вольфрама и бора в стехиометрическом соотношении спекают при 1200–1600°C в вакууме или в атмосфере разреженного аргона. Метод даёт смесь фаз; для получения целевой фазы стехиометрия и температурный режим подбираются точно. При горячем прессовании смесей W (или WC) с B или B₄C образуется преимущественно WB или W₂B₅.

Алюмотермическое восстановление. Восстановление смеси оксида вольфрама(VI) WO₃ и оксида бора B₂O₃ металлическим алюминием. Метод применяется для получения WB и W₂B₅; продуктовую смесь после реакции выщелачивают кислотой для удаления оксидов алюминия.

Искровое плазменное спекание (SPS) и механическое легирование. Современные методы, позволяющие получить плотные поликристаллические образцы с заданным фазовым составом и нанокристаллической структурой. Используются преимущественно для изготовления спечённых изделий и мишеней для напыления высокого качества.

Применение боридов вольфрама в промышленности

Износостойкие покрытия и инструментальные материалы

Основная промышленная область применения боридов вольфрама — нанесение сверхтвёрдых покрытий методом магнетронного реактивного распыления. WBx-покрытия, получаемые из мишеней W₂B или W₂B₅, имеют твёрдость 45–50 ГПа и применяются для защиты режущих пластин, штампового инструмента, деталей трения и компонентов, работающих в условиях интенсивного износа. Высокая адгезия к стальным и титановым подложкам достигается при подборе режимов подготовки поверхности и парциального давления газов в процессе напыления.

С карбидом вольфрама бориды объединяет принадлежность к тугоплавким соединениям вольфрама, однако бориды востребованы именно в виде тонкоплёночных покрытий, тогда как карбид используется преимущественно как объёмный конструкционный материал твёрдосплавного инструмента.

Мишени для магнетронного напыления

W₂B и W₂B₅ в форме спечённых мишеней используются как материалы для физического осаждения из паровой фазы (PVD). Из мишеней W₂B (-325 меш, чистота 99,5%) получают износостойкие и полупроводниковые плёнки в микроэлектронике. Мишени из W₂B₅ применяются для нанесения покрытий с повышенной твёрдостью на компоненты, работающие при высоких температурах.

Высокотемпературные изделия для металлургии

Тигли и изложницы для прецизионной металлургии из компактированных боридов вольфрама эксплуатируются при температурах, недопустимых для оксидных и нитридных керамик. Высокая химическая инертность по отношению к большинству расплавленных металлов и сплавов обеспечивает длительный ресурс изделий. Также из спечённых боридов изготавливают защитные чехлы термопар для измерения экстремально высоких температур.

Ядерная техника

W₂B₅ является перспективным материалом нейтронной защиты в установках термоядерного синтеза на основе сферических токамаков. Высокое содержание бора (бор-10 — эффективный поглотитель тепловых нейтронов) в сочетании с жаропрочностью вольфрамовой матрицы обеспечивает необходимые радиационно-защитные и конструктивные характеристики. Данная область применения находится в стадии исследований и отработки технологий.

Смежным классом тугоплавких боридов, также востребованных в промышленности, являются бориды ванадия — они сочетают сопоставимую твёрдость с более низкой плотностью.

Формы поставки

Бориды вольфрама поставляются в следующих формах:

• Порошок W₂B, WB, W₂B₅ — различные фракции, в том числе -325 меш (~44 мкм); чистота от 99% до 99,5% по металлической основе;
• Спечённые мишени для магнетронного напыления из W₂B и W₂B₅ — дисковые и прямоугольные, нестандартные размеры под заказ.

Для уточнения фазового состава, гранулометрии, чистоты и объёма поставки — направьте заявку через форму на сайте.