Диборид хрома

Диборид хрома (CrB₂) — тугоплавкое неорганическое соединение хрома и бора из группы боридов переходных металлов. В двойной системе Cr–B установлено шесть стабильных фаз: Cr₂B, Cr₅B₃, CrB, Cr₃B₄, CrB₂ и CrB₄. Среди них диборид хрома обладает наиболее высокой температурой плавления и наибольшей химической стабильностью. Порошок CrB₂ востребован в порошковой металлургии, при нанесении износостойких и жаростойких покрытий методами плазменного и HVOF-напыления, а также как компонент высокотемпературной керамики и мишеней для магнетронного распыления.

Кристаллическая структура и химический состав диборида хрома

Диборид хрома кристаллизуется в гексагональной решётке структурного типа AlB₂ (пространственная группа P6/mmm, № 191). Атомы бора формируют плоские гексагональные слои, по строению аналогичные графитовым, связанные прочными ковалентными B–B связями (sp²-гибридизация). Между борными плоскостями располагаются слои хрома, связанные с бором смешанными ионно-ковалентными связями Cr–B. Между атомами хрома действует металлическая связь Cr–Cr, обеспечивающая электропроводность материала.

Экспериментально определённые параметры элементарной ячейки: a = 2,9747 Å, c = 3,0660 Å.

Параметр	Значение
Химическая формула	CrB₂
CAS-номер	12007-16-8
Молярная масса	73,62 г/моль
Кристаллическая структура	Гексагональная, тип AlB₂ (P6/mmm, № 191)
Параметры решётки	a = 2,9747 Å; c = 3,0660 Å
Плотность	5,22 г/см³
Температура плавления	~2200 °C
Внешний вид	Порошок серого цвета
Растворимость в воде	Нерастворим

Физические и механические свойства порошка CrB₂

Термические характеристики диборида хрома

CrB₂ обладает наиболее высокой температурой плавления (~2200 °C) среди всех фаз системы Cr–B. В инертной атмосфере или вакууме материал сохраняет структурную целостность при температурах свыше 2000 °C. Средний коэффициент линейного термического расширения (КТР) горячепрессованного CrB₂ в диапазоне от комнатной температуры до 600 °C составляет 6–8·10⁻⁶ °C⁻¹, а в интервале 800–1400 °C возрастает примерно до 10·10⁻⁶ °C⁻¹.

При низких температурах CrB₂ демонстрирует аномальное термическое расширение: ось a расширяется, тогда как ось c сжимается. Вблизи 88–90 K в CrB₂ происходит переход из парамагнитного в антиферромагнитное состояние, что связано с аномалиями термического расширения в этом температурном диапазоне.

Твёрдость и трещиностойкость CrB₂

Механические свойства CrB₂ существенно зависят от плотности спечённого образца. Для полностью уплотнённого горячепрессованного материала (близкого к теоретической плотности 5,22 г/см³) твёрдость по Виккерсу составляет около 22 ГПа, а трещиностойкость (K_IC) — порядка 3,5 МПа·м^1/2. Образцы, полученные искровым плазменным спеканием (SPS) при плотности ~98 % от теоретической, показывают твёрдость 15–16 ГПа и трещиностойкость ~1,8 МПа·м^1/2. Прочность на изгиб горячепрессованного CrB₂ с пористостью ~12 % составляет около 207 МПа.

Свойство	Значение	Условия
Твёрдость по Виккерсу	~22 ГПа	Плотный горячепрессованный образец (~100 % ρth)
Твёрдость по Виккерсу	15–16 ГПа	SPS, ~98 % ρth
Трещиностойкость KIC	3,5 МПа·м1/2	Плотный горячепрессованный образец
Прочность на изгиб	~207 МПа	Горячепрессованный образец, пористость ~12 %
КТР (20–600 °C)	6–8·10⁻⁶ °C⁻¹	Горячепрессованный образец
КТР (800–1400 °C)	~10·10⁻⁶ °C⁻¹	Горячепрессованный образец

Электропроводность диборида хрома

Благодаря металлическим связям Cr–Cr в кристаллической решётке диборид хрома обладает электропроводностью, характерной для боридов переходных металлов. Это свойство позволяет использовать CrB₂ для изготовления мишеней магнетронного распыления и электродных материалов, в том числе катодов для электронной микроскопии.

Химическая стойкость порошка CrB₂

CrB₂ нерастворим в воде и устойчив к действию большинства неокисляющих минеральных кислот при комнатной температуре. В концентрированных окислительных средах (горячая азотная кислота, смеси с пероксидами) материал подвергается разрушению.

Окисление диборида хрома CrB₂ на воздухе

При нагреве на воздухе CrB₂ окисляется с образованием оксида хрома (Cr₂O₃) и оксида бора (B₂O₃). Суммарная реакция:

4CrB₂ + 9O₂ → 2Cr₂O₃ + 4B₂O₃

При температурах около 1000 °C на поверхности образуется защитный слой хромата бора (CrBO₃), который замедляет дальнейшее окисление. При статическом окислении плотного горячепрессованного CrB₂ при 1000 °C в течение 150 ч наблюдается незначительное изменение массы. Однако при циклическом окислении происходит потеря массы из-за испарения B₂O₃ и CrO₃. При температуре 1100 °C и выше окислительная деградация значительно ускоряется. Предельная рабочая температура CrB₂ на воздухе — около 1000 °C.

Стойкость к окислению существенно зависит от плотности и дисперсности: тонкодисперсные порошки окисляются при заметно более низких температурах, чем плотная керамика. Термостойкость горячепрессованного CrB₂ к резким перепадам температур ограничена.

Области применения порошка диборида хрома

Износостойкие и жаростойкие покрытия на основе CrB₂

Порошок CrB₂ применяется как базовый или легирующий компонент покрытий, наносимых методами HVOF- и плазменного напыления. Покрытия на основе диборида хрома повышают абразивную и эрозионную износостойкость деталей, работающих при повышенных температурах. Хромоборидные плёнки, получаемые магнетронным распылением мишеней CrB₂ на нержавеющей стали, демонстрируют улучшенную коррозионную стойкость и пассивационные свойства.

Порошковая металлургия и композиционные материалы с CrB₂

В качестве добавки к металлическим матрицам CrB₂ повышает твёрдость и высокотемпературную прочность композитов (metal matrix composites, MMC). В комбинации с диборидом титана (TiB₂) порошок CrB₂ снижает температуру спекания, активирует уплотнение и улучшает стойкость к окислению за счёт формирования защитных стекловидных плёнок на основе оксидов хрома, титана и кремния.

Керметы и боридная керамика

CrB₂ входит в состав боридных керамик и керметов, предназначенных для узлов, работающих в условиях высоких температур и агрессивных сред. Введение SiC в CrB₂-керамику повышает плотность, трещиностойкость и стойкость к окислению. Искровое плазменное спекание (SPS) и горячее прессование позволяют получать из CrB₂ и его композиций плотные заготовки конструкционного назначения.

Мишени CrB₂ для магнетронного распыления

Электропроводность и химическая устойчивость CrB₂ делают его подходящим материалом для мишеней магнетронного распыления. Тонкоплёночные CrB₂-покрытия наносятся на режущий инструмент и детали, подверженные износу и коррозии. Плёнки CrB₂, полученные магнетронным способом, обладают высокой твёрдостью (до 30–54 ГПа в зависимости от параметров осаждения) и коррозионной стойкостью, превосходящей покрытия на основе диборида циркония (ZrB₂) и TiB₂.

Электродные материалы

Порошок CrB₂ используется как материал катодов в электронной микроскопии и как компонент высокотемпературных электродов. Электропроводность в сочетании с термической и химической стабильностью делает диборид хрома перспективным материалом для электродных применений в агрессивных средах.

Формы поставки и квалификации чистоты порошка CrB₂

Диборид хрома поставляется преимущественно в виде порошка различной дисперсности. Типовые медианные фракции — от 1 до 45 мкм; гранулометрический состав подбирается под конкретное техническое задание. Для лабораторных и промышленных применений выпускаются следующие квалификации чистоты:

• Ч (чистый) — для общетехнических применений в порошковой металлургии и напылении;
• ЧДА (чистый для анализа) — для аналитических и исследовательских задач;
• ХЧ (химически чистый) — для ответственных технологических процессов;
• ОСЧ (особо чистый) — для специализированных научных и электронных применений.

Чистота порошка по основному веществу — от 99 % (квалификация 2N) и выше в зависимости от категории.

Хранение и транспортировка порошка диборида хрома

Порошок CrB₂ поставляется в герметичной таре, исключающей контакт с влагой. Хранение — в сухом прохладном помещении при отсутствии прямого солнечного света. Поглощение влаги ухудшает дисперсность и технологические свойства порошка, поэтому рекомендуется вакуумная упаковка или упаковка в инертной атмосфере. Нарушение герметичности тары приводит к снижению качества продукта.

Для подбора фракции, квалификации чистоты и объёма партии порошка CrB₂ рекомендуется согласовать параметры с техническим специалистом.