نیترید بور سخت تر یا کاربید تنگستن چیست؟

منوی محتوا

● درک نیترید بور

>> اشکال نیترید بور

>> سختی و خواص نیترید بور مکعب

>> خواص حرارتی و الکتریکی

● درک کاربید تنگستن

>> سختی و خصوصیات مکانیکی

>> ثبات حرارتی و شیمیایی

● ساختارهای کریستالی دقیق و پیوند

● کاربردهای صنعتی و فناوری گسترش یافته

● ملاحظات زیست محیطی و اقتصادی

● تحقیقات و تحولات آینده

● خصوصیات مکانیکی و عملکرد در شرایط مختلف

● خلاصه تفاوت های کلیدی

● پایان

● سوالات متداول (متداول)

>> 1. تفاوت اصلی بین نیترید بور و کاربید تنگستن از نظر سختی چیست؟

>> 2. آیا کاربید تنگستن می تواند تحت هر شرایطی سخت تر از نیترید بور باشد؟

>> 3. چرا نیترید مکعب مکعب از کاربید تنگستن برای برش فولادهای سخت شده ترجیح داده می شود؟

>> 4. آیا کاربید تنگستن ارزان تر از نیترید بور مکعب است؟

>> 5. آیا علاوه بر نیترید بور مکعب اشکال دیگر نیترید بور وجود دارد؟

هنگامی که صحبت از مواد فوق العاده استفاده شده در کاربردهای صنعتی مانند ابزار برش ، ساینده و قطعات مقاوم در برابر سایش ، هم نیترید بور و هم کاربید تنگستن از جمله مدعیان برتر است. با این حال ، آنها در ساختارهای کریستالی ، سختی ، پایداری حرارتی و کاربردهای معمولی تفاوت معنی داری دارند. در این مقاله به سختی و سایر خصوصیات مربوط به نیترید بور (به ویژه نیترید بور مکعب) و کاربید تنگستن می پردازد و نقاط قوت و ضعف آنها را برای پاسخ به این سؤال مقایسه می کند: کدام سخت تر ، نیترید بور یا کربید تنگستن؟

درک نیترید بور

نیترید بور (BN) ترکیبی از اتم های بور و نیتروژن است که در چندین شکل کریستالی وجود دارد که خاصیت بسیار متفاوتی دارند.

اشکال نیترید بور

- نیترید بورون شش ضلعی (H-BN): مشابه با گرافیت در ساختار ، با پیوندهای کووالانسی قوی در لایه ها نرم و روان کننده است اما پیوند ضعیف بین لایه ها.

-نیترید بور مکعب (C-BN): دارای یک ساختار کریستالی مکعب مانند الماس است و آن را بسیار سخت و حرارتی پایدار می کند.

- Wurtzite Boron Nitride (W-BN): یک شکل شش ضلعی از لحاظ ساختاری شبیه به Lonsdaleite (الماس شش ضلعی) ، با سختی بالقوه بیش از الماس است.

سختی و خواص نیترید بور مکعب

نیترید بور مکعب دومین ماده سخت است که پس از الماس شناخته شده است ، با سختی MOHS تقریباً 9.5 تا 10. سختی ویکرز آن می تواند به 4800 HV برسد ، که به طور قابل توجهی بالاتر از کاربید تنگستن (حدود 2400 HV) است. CBN همچنین از نظر شیمیایی پایدار است و سختی خود را در دماهای بالا حفظ می کند و آن را برای برش فولادهای سخت شده و محیط های ساینده ایده آل می کند.

سختی CBN از پیوند کووالانسی قوی آن در یک شبکه مکعب ، شبیه به الماس اما با ثبات حرارتی و شیمیایی بهتری هنگام ماشینکاری در هنگام ماشینکاری مواد آهنی ناشی می شود. پلی کریستالی C-BN با دانه های اندازه نانومتر می تواند سختی قابل مقایسه با یا بیش از الماس را نشان دهد.

خواص حرارتی و الکتریکی

نیترید بور ، به ویژه C-BN ، دارای هدایت حرارتی عالی در بین عایق های الکتریکی است و می تواند در برابر دمای بسیار بالا (تا 2350 درجه سانتیگراد از نظر مکانیکی) مقاومت کند. همچنین دارای ویژگی های نیمه هادی باند گسترده ای است که نور UV را تحت ولتاژ ساطع می کند ، که برنامه های فراتر از سختی ، مانند LED و لیزر را باز می کند.

درک کاربید تنگستن

کاربید تنگستن (WC) ترکیبی از اتم های تنگستن و کربن در یک شبکه کریستال شش ضلعی است. این دستگاه به دلیل سختی و سختی زیاد ، در ماشین آلات صنعتی ، ابزار برش ، معدن و پوشیدن قطعات استفاده می شود.

سختی و خصوصیات مکانیکی

کاربید تنگستن در حدود 9 تا 9.5 و سختی ویکرز تقریباً 2400 HV دارد. بسیار سفت است ، با مدول یک جوان بین 530 تا 700 GPA ، تقریباً سه برابر فولاد. چگالی آن زیاد است (15 گرم در سانتی متر 3 ؛) ، و به استحکام آن کمک می کند.

WC سخت است و می تواند با اتصال دهنده های کبالت برای بهبود سختی شکستگی ، تعادل سختی و شستشوی آن ، از بین برود. این سخت تر از اکثر فولادها و سرامیک ها است اما هنوز نرم تر از نیترید بور مکعب است.

ثبات حرارتی و شیمیایی

WC دارای یک نقطه ذوب بالا (2780 درجه سانتیگراد) و هدایت حرارتی خوب (110 W W/m · K) است. با این حال ، از 500-600 درجه سانتیگراد اکسید می شود و در دماهای بسیار بالا تجزیه می شود. از نظر شیمیایی در برابر بسیاری از اسیدها پایدار است اما می تواند توسط مخلوط هایی مانند اسید هیدروفلوئوریک و اسید نیتریک مورد حمله قرار گیرد.

ساختارهای کریستالی دقیق و پیوند

سختی استثنایی نیترید بور مکعب (C-BN) و کاربید تنگستن (WC) را می توان به ساختارهای کریستالی منحصر به فرد آنها و ماهیت پیوند اتمی در این سازه ها نسبت داد.

- نیترید بور مکعب: یک ساختار کریستالی روی مخلوط شبیه به الماس را تصویب می کند ، جایی که هر اتم بور به طور چهار ضلعی با چهار اتم نیتروژن هماهنگ می شود و بالعکس. این شبکه پیوند کووالانسی قوی منجر به یک شبکه سفت و سخت می شود که در برابر تغییر شکل مقاومت می کند. پیوندهای جهت دار قوی در C-BN به سختی زیاد و پایداری حرارتی آن کمک می کند.

- کاربید تنگستن: در یک ساختار نزدیک شش ضلعی که در آن اتمهای تنگستن و کربن محکم بسته بندی می شوند ، متبلور می شود. پیوند در WC ترکیبی از شخصیت کووالانسی ، فلزی و یونی است که تعادل بین سختی و سختی را فراهم می کند. مؤلفه پیوند فلزی امکان تغییر شکل پلاستیک را فراهم می کند ، که باعث افزایش مقاومت در مقایسه با مواد کاملاً کووالانسی مانند C-BN می شود.

کاربردهای صنعتی و فناوری گسترش یافته

فراتر از ابزارهای برش و ساینده ، هر دو نیترید بور و کاربید تنگستن در انواع زمینه های پیشرفته فن آوری استفاده می کنند.

- نیترید بور مکعب: در پوشش های با کارایی بالا برای اجزای هوافضا به دلیل مقاومت در برابر اکسیداسیون و تخریب حرارتی استفاده می شود. همچنین به دلیل هدایت حرارتی عالی و خاصیت عایق الکتریکی ، در دستگاه های الکترونیکی به عنوان یک ماده بستر برای نیمه هادی های با قدرت بالا و با فرکانس بالا به کار می رود. علاوه بر این ، C-BN در چرخ های سنگ زنی دقیق و برنامه های جلا دادن در جایی که به سختی شدید مورد نیاز است استفاده می شود.

- کاربید تنگستن: به طور گسترده در ساخت ابزارهای استخراج معدن ، بیت های مته و پوشش های مقاوم در برابر سایش استفاده می شود. چقرمگی آن باعث می شود تا برنامه های مربوط به تأثیر و سایش مناسب باشد. علاوه بر این ، WC در جواهرات به عنوان یک ماده با دوام و مقاوم در برابر خراش برای حلقه ها و ساعت ها استفاده می شود. همچنین در شکل گیری فلز و اکستروژن درگذشت ، جایی که مقاومت سایش آن عمر ابزار را طولانی می کند.

ملاحظات زیست محیطی و اقتصادی

تولید هر دو ماده شامل فرآیندهای فشرده انرژی است.

-نیترید بور مکعب: سنتز به طور معمول به روشهای فشار بالا و درجه حرارت بالا (HPHT) نیاز دارد ، که انرژی قابل توجهی مصرف می کنند و به تجهیزات تخصصی احتیاج دارند. پیچیدگی تولید به هزینه بالاتر و در دسترس بودن محدود آن کمک می کند.

- کاربید تنگستن: تولید شامل پخت های تنگستن و پودرهای کربن است که از نظر انرژی کمتری دارد اما هنوز هم نیاز به کنترل دقیق شرایط دارد. WC مقرون به صرفه تر و به طور گسترده ای در دسترس است و آن را برای بسیاری از برنامه های صنعتی انتخاب می کند.

از دیدگاه محیطی ، معدن و پالایش منابع تنگستن و بور دارای تأثیرات زیست محیطی هستند. بازیافت ابزارهای کاربید تنگستن برای کاهش زباله و مصرف منابع معمول است. تحقیقات در مورد روشهای سنتز سبزتر برای C-BN برای کاهش ردپای محیطی آن ادامه دارد.

تحقیقات و تحولات آینده

تحقیقات به بهبود روشهای سنتز و خواص مواد فوق العاده ادامه می یابد.

- Boron Nitride: تلاش ها بر تولید کریستال های بزرگتر و بدون نقص از فرم های مکعب و وورتزیت برای بهره برداری کامل از پتانسیل سختی آنها تمرکز می کنند. نانوساختار و مواد کامپوزیت با استفاده از C-BN با هدف تقویت سختی ضمن حفظ سختی. تکنیک های جدید سنتز مانند رسوب بخار شیمیایی (CVD) برای ایجاد فیلم ها و پوشش های نازک با عملکرد برتر مورد بررسی قرار می گیرند.

- کاربید تنگستن: تحقیقات با هدف بهبود مقاومت اکسیداسیون و ثبات حرارتی آن از طریق آلیاژ و روکش های پیشرفته انجام می شود. مواد ترکیبی ترکیب WC با سایر سرامیک ها یا فلزات برای بهینه سازی عملکرد برای برنامه های خاص تهیه شده است. نوآوری در مواد چسبان ، مانند جایگزینی کبالت با گزینه های کمتر سمی ، نیز در حال انجام است.

خصوصیات مکانیکی و عملکرد در شرایط مختلف

عملکرد C-BN و WC در شرایط مختلف مکانیکی و محیطی متفاوت است.

- نیترید بور مکعب: سختی خود را در دمای بالا حفظ می کند و آن را برای ماشینکاری با سرعت بالا که در آن تولید گرما قابل توجه است ، ایده آل می کند. عدم تحرک شیمیایی آن از تخریب در محیط های تهاجمی جلوگیری می کند و باعث می شود عمر طولانی تر ابزارهای هنگام برش فلزات آهنی باشد.

- کاربید تنگستن: در حالی که بسیار سخت است ، می تواند در دمای بالاتر از 500-600 درجه سانتیگراد اکسید و تخریب شود و استفاده از آن در کاربردهای درجه حرارت بالا را محدود کند. با این حال ، چقرمگی برتر آن به آن اجازه می دهد تا تأثیرات را جذب کرده و در برابر شکستگی بهتر از C-BN مقاومت کند ، که شکننده تر است. این چقرمگی باعث می شود WC در برنامه هایی که شوک مکانیکی رایج است ، ارجحیت دهد.

خلاصه تفاوت های کلیدی

پایان

در نبرد سختی بین نیترید بور و کاربید تنگستن ، نیترید بور مکعب به وضوح به عنوان ماده سخت تر ، با سختی Mohs از 9.5 تا 10 و سختی ویکرز تقریباً دو برابر کاربید تنگستن است. ثبات حرارتی برتر و مقاومت شیمیایی آن ، آن را برای برش فولادهای سخت شده و کارهای ماشینکاری ساینده که در آن ممکن است ابزارهای کاربید تنگستن شکست بخورد ، ضروری می کند.

با این حال ، کاربید تنگستن ، ماده ای همه کاره ، سخت و مقرون به صرفه است که به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد. سختی آن چشمگیر است اما از نیترید بور مکعب فراتر نمی رود. بنابراین ، برای برنامه های کاربردی که حداکثر سختی و پایداری حرارتی را طلب می کنند ، نیترید بور مکعب انتخاب ارجح است ، در حالی که کاربید تنگستن در جایی که سختی و مقرون به صرفه بودن اولویت ها باشد ، مورد حمایت قرار می گیرد.

سوالات متداول (متداول)

1. تفاوت اصلی بین نیترید بور و کاربید تنگستن از نظر سختی چیست؟

نیترید بور مکعب به طور قابل توجهی سخت تر از کاربید تنگستن است ، با سختی MOHS در حدود 9.5-10 در مقایسه با 9-9.5 کاربید تنگستن. سختی ویکرز آن نیز بسیار بیشتر است و باعث می شود در برنامه های کاربردی مقاوم در برابر سایش باشد.

2. آیا کاربید تنگستن می تواند تحت هر شرایطی سخت تر از نیترید بور باشد؟

خیر ، سختی ذاتی تنگستن کاربید پایین تر از نیترید بور مکعب است. با این حال ، کاربید تنگستن سختی بهتری را ارائه می دهد و شکننده تر است ، که بسته به کاربرد آن می تواند سودمند باشد.

3. چرا نیترید مکعب مکعب از کاربید تنگستن برای برش فولادهای سخت شده ترجیح داده می شود؟

نیترید بور مکعب سختی و پایداری شیمیایی خود را در دماهای بالا حفظ می کند و در هنگام ماشینکاری مواد آهنی در برابر پوشیدن بهتر است ، که می تواند ابزارهای کاربید تنگستن را سریعتر تخریب کند.

4. آیا کاربید تنگستن ارزان تر از نیترید بور مکعب است؟

بله ، کاربید تنگستن به طور کلی ارزان تر و تولید آن آسان تر است ، و این امر در بسیاری از ابزارهای صنعتی که سختی شدید الزام اصلی نیست ، شایع تر می شود.

5. آیا علاوه بر نیترید بور مکعب اشکال دیگر نیترید بور وجود دارد؟

بله ، نیترید بورون شش ضلعی (H-BN) یک فرم نرم تر است که به عنوان روان کننده مورد استفاده قرار می گیرد ، و نیترید بور وورتزیت (W-BN) یک شکل نادر است که ممکن است حتی از الماس سخت تر باشد اما سنتز به شکل خالص دشوار است.