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● Comprendre le nitrure de bore
>> Formes de nitrure de bore
>> Dureté et des propriétés du nitrure de bore cube
>> Propriétés thermiques et électriques
● Comprendre le carbure de tungstène
>> Dureté et des propriétés mécaniques
>> Stabilité thermique et chimique
● Structures cristallines détaillées et liaison
● Applications industrielles et technologiques élargies
● Considérations environnementales et économiques
● Recherche et développements futurs
● Propriétés mécaniques et performances dans différentes conditions
● Résumé des différences clés
● Conclusion
● Questions fréquemment posées (FAQ)
>> 1. Quelle est la principale différence entre le nitrure de bore et le carbure de tungstène en termes de dureté?
>> 2. Le carbure de tungstène peut-il être plus difficile que le nitrure de bore dans des conditions?
>> 3. Pourquoi le nitrure de bore cubique est-il préféré au carbure de tungstène pour couper les aciers durcis?
>> 4. Le carbure de tungstène est-il moins cher que le nitrure de bore cubique?
>> 5. Y a-t-il d'autres formes de nitrure de bore en plus du nitrure de bore cubique?
En ce qui concerne les matériaux surhard utilisés dans des applications industrielles telles que les outils de coupe, les abrasifs et les pièces résistantes à l'usure, à la fois le nitrure de bore et Le carbure de tungstène fait partie des meilleurs prétendants. Cependant, ils diffèrent considérablement par leurs structures cristallines, leur dureté, leur stabilité thermique et leurs utilisations typiques. Cet article explore la dureté et les autres propriétés pertinentes du nitrure de bore (en particulier du nitrure de bore cubique) et du carbure de tungstène, comparant leurs forces et leurs faiblesses pour répondre à la question: qui est le nitrure de bore plus difficile?
Comprendre le nitrure de bore
Le nitrure de boron (BN) est un composé en bore et des atomes d'azote, existant sous plusieurs formes cristallines qui présentent des propriétés très différentes.
Formes de nitrure de bore
- Nitrure de bore hexagonal (H-BN): analogue à la structure du graphite, il est doux et lubrifiant avec de fortes liaisons covalentes dans les couches mais une faible liaison entre les couches.
- Nitrure de bore cubique (C-BN): a une structure cristalline cubique de type diamant, ce qui le rend extrêmement dur et thermiquement stable.
- Nitrure de boron de wurtzite (W-BN): une forme hexagonale structurellement similaire au lonsdaleite (diamant hexagonal), avec du dureté dépassant potentiellement le diamant.
Dureté et des propriétés du nitrure de bore cube
Le nitrure de bore cubique est le deuxième matériau le plus dur connu après le diamant, avec une dureté MOHS d'environ 9,5 à 10. CBN est également chimiquement stable et conserve sa dureté à des températures élevées, ce qui le rend idéal pour couper les aciers durcis et les environnements abrasifs.
La dureté de CBN découle de sa forte liaison covalente dans un réseau cube, similaire au diamant mais avec une meilleure stabilité thermique et chimique lors de l'usinage des matériaux ferreux. Le C-BN polycristallin avec des grains de taille nanométrique peut présenter une dureté comparable ou dépasser le diamant.
Propriétés thermiques et électriques
Le nitrure de bore, en particulier le C-BN, a une excellente conductivité thermique parmi les isolateurs électriques et peut résister à des températures très élevées (jusqu'à 2350 ° C mécaniquement). Il présente également des propriétés de semi-conducteurs à bande large, émettant une lumière UV sous tension, qui ouvre des applications au-delà de la dureté, telles que les LED et les lasers.
Comprendre le carbure de tungstène
Le carbure de tungstène (WC) est un composé de tungstène et d'atomes de carbone dans un réseau de cristal hexagonal. Il est largement utilisé dans les machines industrielles, les outils de coupe, l'exploitation minière et l'usure en raison de sa dureté et de sa ténacité élevées.
Dureté et des propriétés mécaniques
Le carbure de tungstène a une dureté mohs d'environ 9 à 9,5 et une dureté Vickers d'environ 2400 HV. Il est extrêmement rigide, avec un module Young entre 530 et 700 GPa, environ trois fois celui de l'acier. Sa densité est élevée (~ 15 g / cm³), contribuant à sa robustesse.
WC est difficile et peut être fritté avec des liants en cobalt pour améliorer la ténacité à la fracture, équilibrer la dureté et la fragilité. Il est plus difficile que la plupart des aciers et de la céramique mais toujours plus doux que le nitrure de bore cube.
Stabilité thermique et chimique
WC a un point de fusion élevé (~ 2780 ° C) et une bonne conductivité thermique (~ 110 W / m · k). Cependant, il s'oxyde à partir de 500–600 ° C et se décompose à des températures très élevées. Il est chimiquement stable contre de nombreux acides mais peut être attaqué par des mélanges comme l'acide hydrofluorique et l'acide nitrique.
Structures cristallines détaillées et liaison
La dureté exceptionnelle du nitrure de bore cubique (C-BN) et du carbure de tungstène (WC) peut être attribuée à leurs structures cristallines uniques et à la nature de la liaison atomique au sein de ces structures.
- Nitrure de bore cubique: adopte une structure cristalline de mélange de zinc similaire au diamant, où chaque atome de bore est coordonné tétraédré à quatre atomes d'azote et vice versa. Ce fort réseau de liaisons covalents se traduit par un réseau rigide qui résiste à la déformation. Les fortes liaisons directionnelles dans C-BN contribuent à sa dureté élevée et à sa stabilité thermique.
- Carbure de tungstène: cristallise dans une structure hexagonale serrée où les atomes de tungstène et de carbone sont étroitement emballés. La liaison dans WC est un mélange de caractère covalent, métallique et ionique, qui fournit un équilibre entre la dureté et la ténacité. Le composant de liaison métallique permet un certain degré de déformation plastique, ce qui améliore la ténacité par rapport aux matériaux purement covalents comme C-BN.
Applications industrielles et technologiques élargies
Au-delà des outils de coupe et des abrasifs, le nitrure de bore et le carbure de tungstène trouvent des utilisations dans une variété de domaines technologiques avancés.
- Nitrure de bore cube: utilisé dans les revêtements à haute performance pour les composants aérospatiaux en raison de sa résistance à l'oxydation et à la dégradation thermique. Il est également utilisé dans des dispositifs électroniques comme matériau de substrat pour les semi-conducteurs haute puissance et haute fréquence en raison de ses excellentes propriétés de conductivité thermique et d'isolation électrique. De plus, C-BN est utilisé dans les roues de broyage de précision et les applications de polissage où une dureté extrême est nécessaire.
- Carbure de tungstène: largement utilisé dans la fabrication d'outils d'extraction, de forets et de revêtements résistants à l'usure. Sa ténacité le rend adapté aux applications impliquant l'impact et l'abrasion. De plus, WC est utilisé dans les bijoux comme un matériau durable et résistant aux rayures pour les anneaux et les montres. Il sert également à des matrices de formation des métaux et d'extrusion, où sa résistance à l'usure prolonge la durée de vie de l'outil.
Considérations environnementales et économiques
La production des deux matériaux implique des processus à forte intensité énergétique.
- Nitrure de bore cubique: la synthèse nécessite généralement des méthodes à haute pression et à haute température (HPHT), qui consomment une énergie importante et nécessitent un équipement spécialisé. La complexité de la production contribue à son coût plus élevé et à sa disponibilité limitée.
- Carbure de tungstène: La production implique des poudres de tungstène et de carbone de frittage, ce qui est moins à forte intensité d'énergie mais nécessite toujours un contrôle minutieux des conditions. WC est plus abordable et largement disponible, ce qui en fait le matériel de choix pour de nombreuses applications industrielles.
D'un point de vue environnemental, l'exploitation minière et le raffinage des ressources de tungstène et de bore ont des impacts écologiques. Le recyclage des outils en carbure de tungstène est courant pour réduire les déchets et la consommation de ressources. Des recherches sur les méthodes de synthèse plus verte pour C-BN sont en cours pour réduire son empreinte environnementale.
Recherche et développements futurs
La recherche continue d'améliorer les méthodes de synthèse et les propriétés des matériaux surhard.
- Nitrure de bore: les efforts se concentrent sur la production de cristaux plus grands et sans défaut de formes cubiques et de wurtzite pour exploiter pleinement leur potentiel de dureté. La nanostructure et les matériaux composites incorporant C-BN visent à améliorer la ténacité tout en maintenant la dureté. De nouvelles techniques de synthèse telles que le dépôt de vapeur chimique (CVD) sont explorées pour créer des films minces et des revêtements avec des performances supérieures.
- Carbure de tungstène: la recherche vise à améliorer sa résistance à l'oxydation et sa stabilité thermique par l'alliage et les revêtements avancés. Des matériaux hybrides combinant WC avec d'autres céramiques ou métaux sont en cours de développement pour optimiser les performances pour des applications spécifiques. Des innovations dans les matériaux de liant, telles que le remplacement du cobalt par des alternatives moins toxiques, sont également en cours.
Propriétés mécaniques et performances dans différentes conditions
Les performances de C-BN et de WC varient dans différentes conditions mécaniques et environnementales.
- Nitrure de bore cube: maintient sa dureté à des températures élevées, ce qui le rend idéal pour l'usinage à grande vitesse où la génération de chaleur est importante. Son inertie chimique empêche la dégradation dans des environnements agressifs, permettant une durée de vie des outils plus longue lors de la réduction des métaux ferreux.
- Carbure de tungstène: Bien que très dur, peut s'oxyder et se dégrader à des températures supérieures à 500 à 600 ° C, limitant son utilisation dans des applications à haute température. Cependant, sa ténacité supérieure lui permet d'absorber les impacts et de résister mieux à la fracture que C-BN, ce qui est plus cassant. Cette ténacité rend WC préférable dans les applications où le choc mécanique est courant.
Résumé des différences clés
| Propriété |
Nitrure de bore cubique (C-BN) |
Carbure de tungstène (WC) |
| Structure cristalline |
Zinc-mélange cube |
Hexagonal près de |
| Liaison |
Covalent fort |
Covalent mélangé, métallique, ionique |
| Dureté |
Mohs 9.5–10, Vickers jusqu'à 4800 HV |
Mohs 9–9,5, Vickers autour de 2400 HV |
| Dureté |
Plus bas, plus cassant |
Plus élevé, plus résistant aux impacts |
| Stabilité thermique |
Jusqu'à 2350 ° C stabilité mécanique |
Oxyde au-dessus de 500 à 600 ° C |
| Densité (g / cm³) |
~ 3,5 - 3,6 |
~ 15 |
| Applications typiques |
Couper les aciers durcis, l'électronique, les revêtements aérospatiaux |
Outils d'exploitation, pièces d'usure, bijoux |
Conclusion
Dans la bataille de la dureté entre le nitrure de bore et le carbure de tungstène, le nitrure de bore cubique se démarque clairement comme le matériau le plus dur, avec une dureté Mohs de 9,5 à 10 et la dureté Vickers presque le double de celle du carbure de tungstène. Sa stabilité thermique supérieure et sa résistance chimique le rendent indispensable pour couper les aciers durcis et les tâches d'usinage abrasives où les outils en carbure de tungstène pourraient échouer.
Le carbure de tungstène, cependant, reste un matériau polyvalent, difficile et rentable largement utilisé dans l'industrie. Sa dureté est impressionnante mais ne dépasse pas celle du nitrure de bore cubique. Par conséquent, pour les applications exigeant la plus grande dureté et la stabilité thermique, le nitrure de bore cubique est le choix préféré, tandis que le carbure de tungstène est favorisé lorsque la ténacité et la rentabilité sont des priorités.
Questions fréquemment posées (FAQ)
1. Quelle est la principale différence entre le nitrure de bore et le carbure de tungstène en termes de dureté?
Le nitrure de bore cubique est significativement plus difficile que le carbure de tungstène, avec une dureté MOHS d'environ 9,5-10 par rapport au 9-9,5 du carbure de tungstène. Sa dureté Vickers est également beaucoup plus élevée, la rendant plus résistante à l'usure dans les applications exigeantes.
2. Le carbure de tungstène peut-il être plus difficile que le nitrure de bore dans des conditions?
Non, la dureté intrinsèque du carbure de tungstène est inférieure à celle du nitrure de bore cubique. Cependant, le carbure de tungstène offre une meilleure ténacité et est moins fragile, ce qui peut être avantageux en fonction de l'application.
3. Pourquoi le nitrure de bore cubique est-il préféré au carbure de tungstène pour couper les aciers durcis?
Le nitrure de bore cubique maintient sa dureté et sa stabilité chimique à des températures élevées et résiste mieux à l'usinage des matériaux ferreux, qui peuvent dégrader plus rapidement les outils en carbure de tungstène.
4. Le carbure de tungstène est-il moins cher que le nitrure de bore cubique?
Oui, le carbure de tungstène est généralement moins cher et plus facile à produire, ce qui le rend plus courant dans de nombreux outils industriels où la dureté extrême n'est pas la principale exigence.
5. Y a-t-il d'autres formes de nitrure de bore en plus du nitrure de bore cubique?
Oui, le nitrure de bore hexagonal (H-BN) est une forme plus douce utilisée comme lubrifiant, et le nitrure de bore de wurtzite (W-BN) est une forme rare qui peut être encore plus difficile que le diamant mais est difficile à synthétiser sous forme pure.
