Apa yang lebih sukar boron nitride atau tungsten carbide?

Menu Kandungan

● Memahami Boron Nitride

>> Bentuk boron nitrida

>> Kekerasan dan sifat nitrid boron padu

>> Sifat termal dan elektrik

● Memahami Tungsten Carbide

>> Kekerasan dan sifat mekanikal

>> Kestabilan terma dan kimia

● Struktur kristal terperinci dan ikatan

● Aplikasi perindustrian dan teknologi yang diperluaskan

● Pertimbangan Alam Sekitar dan Ekonomi

● Penyelidikan dan perkembangan masa depan

● Sifat dan prestasi mekanikal dalam keadaan yang berbeza

● Ringkasan perbezaan utama

● Kesimpulan

● Soalan Lazim (Soalan Lazim)

>> 1. Apakah perbezaan utama antara boron nitride dan tungsten carbide dari segi kekerasan?

>> 2. Bolehkah karbida tungsten lebih sukar daripada boron nitride di bawah apa -apa syarat?

>> 3. Mengapa nitrida boron kubik lebih disukai daripada karbida tungsten untuk memotong keluli keras?

>> 4. Adakah tungsten karbida lebih murah daripada nitrida boron padu?

>> 5. Adakah terdapat bentuk lain boron nitride selain nitrida boron padu?

Ketika datang ke bahan-bahan superhard yang digunakan dalam aplikasi perindustrian seperti alat pemotongan, abrasives, dan bahagian tahan haus, kedua-dua boron nitride dan Tungsten Carbide adalah antara pesaing utama. Walau bagaimanapun, mereka berbeza dengan ketara dalam struktur kristal, kekerasan, kestabilan terma, dan kegunaan biasa. Artikel ini meneroka kekerasan dan sifat -sifat lain yang berkaitan dengan boron nitride (terutamanya boron nitrida) dan tungsten carbide, membandingkan kekuatan dan kelemahan mereka untuk menjawab soalan: yang lebih keras, boron nitride atau tungsten carbide?

Memahami Boron Nitride

Boron nitride (BN) adalah sebatian yang diperbuat daripada atom boron dan nitrogen, yang ada dalam beberapa bentuk kristal yang mempamerkan sifat -sifat yang sangat berbeza.

Bentuk boron nitrida

- Hexagonal Boron Nitride (H-BN): Analogi dengan grafit dalam struktur, ia adalah lembut dan pelincir dengan ikatan kovalen yang kuat dalam lapisan tetapi ikatan lemah antara lapisan.

-Boron nitrida kubik (C-BN): Mempunyai struktur kristal padu seperti berlian, menjadikannya sangat keras dan stabil.

- Wurtzite Boron Nitride (W-BN): bentuk heksagon yang berstruktur sama dengan lonsdaleite (berlian heksagon), dengan kekerasan berpotensi melebihi berlian.

Kekerasan dan sifat nitrid boron padu

Nitrida boron kubik adalah bahan paling sukar kedua yang dikenali selepas Diamond, dengan kekerasan Mohs kira -kira 9.5 hingga 10. Kekerasan Vickersnya boleh mencapai sehingga 4800 HV, yang jauh lebih tinggi daripada karbida tungsten (sekitar 2400 HV). CBN juga stabil secara kimia dan mengekalkan kekerasannya pada suhu tinggi, menjadikannya sesuai untuk memotong keluli yang keras dan persekitaran yang kasar.

Kekerasan CBN berasal dari ikatan kovalennya yang kuat dalam kisi padu, sama dengan berlian tetapi dengan kestabilan terma dan kimia yang lebih baik apabila bahan pemesinan ferus. Polycrystalline C-Bn dengan bijirin bersaiz nanometer boleh menunjukkan kekerasan yang setanding dengan atau melebihi berlian.

Sifat termal dan elektrik

Boron Nitride, terutamanya C-BN, mempunyai kekonduksian terma yang sangat baik di kalangan penebat elektrik dan dapat menahan suhu yang sangat tinggi (sehingga 2350 ° C secara mekanikal). Ia juga mempamerkan ciri-ciri semikonduktor jalur band yang luas, memancarkan cahaya UV di bawah voltan, yang membuka aplikasi di luar kekerasan, seperti LED dan laser.

Memahami Tungsten Carbide

Tungsten Carbide (WC) adalah sebatian tungsten dan atom karbon dalam kisi kristal heksagon. Ia digunakan secara meluas dalam jentera perindustrian, alat pemotongan, perlombongan, dan memakai bahagian kerana kekerasan dan ketangguhannya yang tinggi.

Kekerasan dan sifat mekanikal

Tungsten Carbide mempunyai kekerasan Mohs sekitar 9 hingga 9.5 dan kekerasan Vickers kira -kira 2400 HV. Ia sangat sengit, dengan modulus muda antara 530 dan 700 IPK, kira -kira tiga kali keluli. Ketumpatannya tinggi (~ 15 g/cm³), menyumbang kepada keteguhannya.

WC adalah sukar dan boleh disuntik dengan pengikat kobalt untuk meningkatkan ketangguhan patah, mengimbangi kekerasan dan kelembutan. Ia lebih sukar daripada kebanyakan keluli dan seramik tetapi masih lebih lembut daripada nitrida boron padu.

Kestabilan terma dan kimia

WC mempunyai titik lebur yang tinggi (~ 2780 ° C) dan kekonduksian terma yang baik (~ 110 w/m · k). Walau bagaimanapun, ia mengoksida bermula pada 500-600 ° C dan terurai pada suhu yang sangat tinggi. Ia stabil secara kimia terhadap banyak asid tetapi boleh diserang oleh campuran seperti asid hidrofluorik dan asid nitrik.

Struktur kristal terperinci dan ikatan

Kekerasan luar biasa boron nitrida (C-Bn) dan tungsten carbide (WC) boleh dikaitkan dengan struktur kristal yang unik dan sifat ikatan atom dalam struktur ini.

- Nitrida boron kubik: Mengamalkan struktur kristal zink-blende yang serupa dengan berlian, di mana setiap atom boron diselaraskan dengan empat atom nitrogen dan sebaliknya. Rangkaian ikatan kovalen yang kuat ini menghasilkan kisi tegar yang menentang ubah bentuk. Ikatan arah yang kuat dalam C-Bn menyumbang kepada kekerasan dan kestabilan terma yang tinggi.

- Tungsten Carbide: Crystallizes dalam struktur rapat heksagon di mana tungsten dan atom karbon dikemas dengan ketat. Ikatan di WC adalah campuran kovalen, logam, dan watak ionik, yang memberikan keseimbangan antara kekerasan dan ketangguhan. Komponen ikatan logam membolehkan beberapa tahap ubah bentuk plastik, yang meningkatkan ketangguhan berbanding dengan bahan kovalen semata-mata seperti C-BN.

Aplikasi perindustrian dan teknologi yang diperluaskan

Di luar alat pemotongan dan abrasif, kedua -dua boron nitride dan tungsten carbide mencari dalam pelbagai bidang teknologi canggih.

- Nitrida boron padu: Digunakan dalam salutan berprestasi tinggi untuk komponen aeroangkasa kerana rintangannya terhadap pengoksidaan dan kemerosotan haba. Ia juga digunakan dalam peranti elektronik sebagai bahan substrat untuk semikonduktor kuasa tinggi, kekerapan tinggi kerana kekonduksian terma yang sangat baik dan sifat penebat elektrik. Di samping itu, c-Bn digunakan dalam roda pengisaran ketepatan dan aplikasi penggilap di mana kekerasan melampau diperlukan.

- Tungsten Carbide: Digunakan secara meluas dalam alat perlombongan pembuatan, bit gerudi, dan lapisan tahan haus. Ketangguhannya menjadikannya sesuai untuk aplikasi yang melibatkan kesan dan lelasan. Di samping itu, WC digunakan dalam perhiasan sebagai bahan tahan lama dan tahan gores untuk cincin dan jam tangan. Ia juga berfungsi dalam pembentukan logam dan penyemperitan mati, di mana rintangan haus memanjangkan hayat alat.

Pertimbangan Alam Sekitar dan Ekonomi

Pengeluaran kedua-dua bahan melibatkan proses intensif tenaga.

-Boron nitrida padu: Sintesis biasanya memerlukan kaedah tekanan tinggi, suhu tinggi (HPHT), yang menggunakan tenaga yang signifikan dan memerlukan peralatan khusus. Kerumitan pengeluaran menyumbang kepada kos yang lebih tinggi dan ketersediaan terhad.

- Tungsten Carbide: Pengeluaran melibatkan sintering tungsten dan serbuk karbon, yang kurang intensif tenaga tetapi masih memerlukan kawalan yang teliti terhadap keadaan. WC lebih murah dan tersedia secara meluas, menjadikannya bahan pilihan untuk banyak aplikasi perindustrian.

Dari segi alam sekitar, perlombongan dan penapisan sumber tungsten dan boron mempunyai kesan ekologi. Kitar semula alat karbida tungsten adalah perkara biasa untuk mengurangkan penggunaan sisa dan sumber. Penyelidikan ke dalam kaedah sintesis yang lebih hijau untuk C-BN sedang dijalankan untuk mengurangkan jejak alam sekitarnya.

Penyelidikan dan perkembangan masa depan

Penyelidikan terus meningkatkan kaedah sintesis dan sifat bahan superhard.

- Boron Nitride: Usaha memberi tumpuan kepada menghasilkan kristal yang lebih besar dan bebas daripada bentuk padu dan wurtzite untuk mengeksploitasi sepenuhnya potensi kekerasan mereka. Nanostructuring dan bahan komposit yang menggabungkan C-BN bertujuan untuk meningkatkan ketangguhan sambil mengekalkan kekerasan. Teknik sintesis baru seperti pemendapan wap kimia (CVD) sedang diterokai untuk mencipta filem dan salutan nipis dengan prestasi unggul.

- Tungsten Carbide: Penyelidikan bertujuan untuk meningkatkan rintangan pengoksidaan dan kestabilan terma melalui pengaliran dan lapisan lanjutan. Bahan hibrid yang menggabungkan WC dengan seramik atau logam lain sedang dibangunkan untuk mengoptimumkan prestasi untuk aplikasi tertentu. Inovasi dalam bahan pengikat, seperti menggantikan kobalt dengan alternatif kurang toksik, juga sedang dijalankan.

Sifat dan prestasi mekanikal dalam keadaan yang berbeza

Prestasi C-Bn dan WC berbeza-beza di bawah keadaan mekanikal dan persekitaran yang berbeza.

- Boron Nitride Kubik: Mengekalkan kekerasannya pada suhu tinggi, menjadikannya sesuai untuk pemesinan berkelajuan tinggi di mana penjanaan haba adalah penting. Ketidaksuburan kimianya menghalang kemerosotan dalam persekitaran yang agresif, membolehkan kehidupan alat yang lebih lama apabila memotong logam ferus.

- Tungsten Carbide: Walaupun sangat keras, dapat mengoksida dan merendahkan suhu di atas 500-600 ° C, mengehadkan penggunaannya dalam aplikasi suhu tinggi. Walau bagaimanapun, ketangguhan unggulnya membolehkan ia menyerap kesan dan menahan patah lebih baik daripada C-BN, yang lebih rapuh. Ketangguhan ini menjadikan WC lebih baik dalam aplikasi di mana kejutan mekanikal adalah perkara biasa.

Ringkasan perbezaan utama

Kesimpulan

Dalam pertempuran kekerasan antara boron nitride dan tungsten carbide, nitrida boron kubik jelas menonjol sebagai bahan yang lebih keras, dengan kekerasan Mohs 9.5 hingga 10 dan kekerasan Vickers hampir dua kali ganda dari tungsten carbide. Kestabilan terma dan rintangan kimia yang unggul menjadikannya sangat diperlukan untuk memotong keluli keras dan tugas pemesinan kasar di mana alat tungsten karbida mungkin gagal.

Walau bagaimanapun, tungsten karbida kekal sebagai bahan serba boleh, sukar, dan kos efektif yang digunakan secara meluas dalam industri. Kekerasannya mengagumkan tetapi tidak melampaui nitrida boron padu. Oleh itu, bagi aplikasi yang menuntut kekerasan dan kestabilan terma, nitrida boron padu adalah pilihan pilihan, sementara tungsten carbide disukai di mana ketangguhan dan kecekapan kos adalah keutamaan.

Soalan Lazim (Soalan Lazim)

1. Apakah perbezaan utama antara boron nitride dan tungsten carbide dari segi kekerasan?

Nitrida boron kubik jauh lebih sukar daripada karbida tungsten, dengan kekerasan Mohs kira -kira 9.5-10 berbanding 9-9.5 Tungsten Carbide. Kekerasan Vickers juga jauh lebih tinggi, menjadikannya lebih tahan haus dalam menuntut aplikasi.

2. Bolehkah karbida tungsten lebih sukar daripada boron nitride di bawah apa -apa syarat?

Tidak, kekerasan intrinsik Tungsten Carbide lebih rendah daripada nitrida boron padu. Walau bagaimanapun, Tungsten Carbide menawarkan ketangguhan yang lebih baik dan kurang rapuh, yang boleh berfaedah bergantung pada aplikasi.

3. Mengapa nitrida boron kubik lebih disukai daripada karbida tungsten untuk memotong keluli keras?

Nitrida boron kubik mengekalkan kekerasan dan kestabilan kimianya pada suhu tinggi dan menahan memakai lebih baik apabila bahan pemesinan ferus, yang dapat merendahkan alat karbida tungsten lebih cepat.

4. Adakah tungsten karbida lebih murah daripada nitrida boron padu?

Ya, karbida tungsten pada umumnya lebih murah dan lebih mudah dihasilkan, menjadikannya lebih biasa dalam banyak alat perindustrian di mana kekerasan melampau bukanlah keperluan utama.

5. Adakah terdapat bentuk lain boron nitride selain nitrida boron padu?

Ya, boron heksagon nitrida (H-BN) adalah bentuk yang lebih lembut yang digunakan sebagai pelincir, dan wurtzite boron nitride (W-BN) adalah bentuk yang jarang berlaku yang mungkin lebih keras daripada berlian tetapi sukar untuk disintesis dalam bentuk tulen.