Vad är svårare bornitrid eller volframkarbid?

Innehållsmeny

● Förstå bornitrid

>> Former av bornitrid

>> Hårdhet och egenskaper hos kubik bornitrid

>> Termiska och elektriska egenskaper

● Förstå volframkarbid

>> Hårdhet och mekaniska egenskaper

>> Termisk och kemisk stabilitet

● Detaljerade kristallstrukturer och bindning

● Utökade industriella och tekniska applikationer

● Miljö- och ekonomiska överväganden

● Framtida forskning och utveckling

● Mekaniska egenskaper och prestanda under olika förhållanden

● Sammanfattning av viktiga skillnader

● Slutsats

● Vanliga frågor (FAQ)

>> 1. Vad är den största skillnaden mellan bornitrid och volframkarbid när det gäller hårdhet?

>> 2. Kan volframkarbid vara svårare än bornitrid under några förhållanden?

>> 3. Varför föredras kubisk bornitrid framför volframkarbid för att klippa härdade stål?

>> 4. Är volframkarbid billigare än kubisk bornitrid?

>> 5. Finns det andra former av bornitrid förutom kubik bornitrid?

När det gäller överhåriga material som används i industriella applikationer som skärverktyg, slipmedel och slitstödande delar, både bornitrid och Volframkarbid är bland de bästa utmanarna. De skiljer sig emellertid avsevärt i sina kristallstrukturer, hårdhet, termisk stabilitet och typiska användningsområden. Den här artikeln undersöker hårdheten och andra relevanta egenskaper hos bornitrid (särskilt kubisk bornitrid) och volframkarbid, jämför deras styrkor och svagheter för att svara på frågan: Vilken är svårare, bornitrid eller volframkarbid?

Förstå bornitrid

Bornitrid (BN) är en förening av bor- och kväveatomer, som finns i flera kristallina former som uppvisar oerhört olika egenskaper.

Former av bornitrid

- Hexagonal bornitrid (H-BN): analog med grafit i struktur, den är mjuk och smidig med starka kovalenta bindningar i skikt men svag bindning mellan lager.

-Kubik bornitrid (C-BN): Har en diamantliknande kubisk kristallstruktur, vilket gör den extremt hård och termiskt stabil.

- Wurtzite Boron Nitride (W-BN): En hexagonal form strukturellt lik Lonsdaleite (hexagonal diamant), med hårdhet som potentiellt överskrider diamanten.

Hårdhet och egenskaper hos kubik bornitrid

Cubic Boron Nitride är det näst svåraste materialet som är känt efter diamant, med en MOHS -hårdhet på cirka 9,5 till 10. Dess Vickers hårdhet kan nå upp till 4800 HV, vilket är betydligt högre än volframkarbidens (cirka 2400 HV). CBN är också kemiskt stabilt och behåller sin hårdhet vid höga temperaturer, vilket gör den idealisk för att skära härdade stål och slipande miljöer.

CBN: s hårdhet härstammar från dess starka kovalenta bindning i ett kubiskt gitter, liknande diamant men med bättre termisk och kemisk stabilitet vid bearbetning av järnmaterial. Polykristallin C-BN med korn med nanometerstorlek kan uppvisa hårdhet som kan jämföras med eller överskrida diamant.

Termiska och elektriska egenskaper

Bornitrid, särskilt C-BN, har utmärkt värmeledningsförmåga bland elektriska isolatorer och tål mycket höga temperaturer (upp till 2350 ° C mekaniskt). Den uppvisar också breda band-gap halvledaregenskaper och avger UV-ljus under spänning, vilket öppnar applikationer utöver hårdhet, såsom lysdioder och lasrar.

Förstå volframkarbid

Volframkarbid (WC) är en förening av volfram- och kolatomer i ett hexagonalt kristallgitter. Det används ofta i industriella maskiner, skärverktyg, gruvdrift och bär delar på grund av dess höga hårdhet och seghet.

Hårdhet och mekaniska egenskaper

Volframkarbid har en Mohs -hårdhet runt 9 till 9,5 och en Vickers hårdhet ungefär 2400 HV. Det är extremt styvt, med en Youngs modul mellan 530 och 700 GPa, ungefär tre gånger stål. Dess densitet är hög (~ 15 g/cm³), vilket bidrar till dess robusthet.

WC är tuff och kan sintras med koboltbindemedel för att förbättra frakturens seghet, balansera hårdhet och sprödhet. Det är svårare än de flesta stål och keramik men fortfarande mjukare än kubisk bornitrid.

Termisk och kemisk stabilitet

WC har en hög smältpunkt (~ 2780 ° C) och god värmeledningsförmåga (~ 110 W/m · K). Det oxiderar emellertid från och med 500–600 ° C och sönderdelas vid mycket höga temperaturer. Det är kemiskt stabilt mot många syror men kan attackeras av blandningar som hydrofluorsyra och salpetersyra.

Detaljerade kristallstrukturer och bindning

Den exceptionella hårdheten hos kubisk bornitrid (C-BN) och volframkarbid (WC) kan tillskrivas deras unika kristallstrukturer och naturen av atombindning inom dessa strukturer.

- Kubik bornitrid: antar en zink-blandningskristallstruktur som liknar diamant, där varje boratom är tetraedralt koordinerad till fyra kväveatomer och vice versa. Detta starka kovalenta bindningsnätverk resulterar i ett styvt gitter som motstår deformation. De starka riktningsbindningarna i C-BN bidrar till dess höga hårdhet och termiska stabilitet.

- Volframkarbid: kristalliserar i en hexagonal nära packad struktur där volfram- och kolatomer är tätt packade. Bindningen i WC är en blandning av kovalent, metallisk och jonisk karaktär, som ger en balans mellan hårdhet och seghet. Den metalliska bindningskomponenten möjliggör en viss grad av plastisk deformation, vilket förbättrar segheten jämfört med rent kovalenta material som C-BN.

Utökade industriella och tekniska applikationer

Utöver skärverktyg och slipmedel finner både Boron Nitride och volframkarbid användning inom olika avancerade tekniska områden.

- Kubikbornitrid: Används i högpresterande beläggningar för flyg- och rymdkomponenter på grund av dess resistens mot oxidation och termisk nedbrytning. Det används också i elektroniska anordningar som ett substratmaterial för högeffekt, högfrekventa halvledare på grund av dess utmärkta värmeledningsförmåga och elektriska isoleringsegenskaper. Dessutom används C-BN i precisionsliphjul och poleringsapplikationer där extrem hårdhet krävs.

- Volframkarbid: Används allmänt vid tillverkning av gruvverktyg, borrbitar och slitstödda beläggningar. Dess seghet gör den lämplig för applikationer som involverar påverkan och nötning. Dessutom används WC i smycken som ett hållbart och reporistent material för ringar och klockor. Det tjänar också i metallformning och extrudering dör, där dess slitmotstånd förlänger verktygslivslängden.

Miljö- och ekonomiska överväganden

Produktionen av båda materialen involverar energikrävande processer.

-Cubic Boron Nitride: Syntes kräver vanligtvis högtryck, högtemperaturmetoder (HPHT), som konsumerar betydande energi och kräver specialiserad utrustning. Produktionens komplexitet bidrar till dess högre kostnad och begränsad tillgänglighet.

- Volframkarbid: Produktion involverar sintring av volfram och kolpulver, vilket är mindre energikrävande men som fortfarande kräver noggrann kontroll av förhållandena. WC är mer överkomligt och allmänt tillgängligt, vilket gör det till valet för många industriella applikationer.

Ur miljösynpunkt har gruvdrift och förädling av volfram- och borresurser ekologiska effekter. Återvinning av volframkarbidverktyg är vanligt för att minska avfall och resursförbrukning. Forskning om grönare syntesmetoder för C-BN pågår för att minska dess miljöavtryck.

Framtida forskning och utveckling

Forskning fortsätter att förbättra syntesmetoderna och egenskaperna hos överhåriga material.

- Bornitrid: Insatser fokuserar på att producera större, defektfria kristaller av kubiska och wurtzitformer för att fullt ut utnyttja deras hårdhetspotential. Nanostrukturering och kompositmaterial som innehåller C-BN syftar till att förbättra segheten samtidigt som hårdheten bibehålls. Nya syntestekniker som kemisk ångavsättning (CVD) undersöks för att skapa tunna filmer och beläggningar med överlägsen prestanda.

- Volframkarbid: Forskning syftar till att förbättra dess oxidationsmotstånd och termisk stabilitet genom legering och avancerade beläggningar. Hybridmaterial som kombinerar WC med andra keramik eller metaller utvecklas för att optimera prestanda för specifika applikationer. Innovationer inom bindemedelsmaterial, såsom att ersätta kobolt med mindre giftiga alternativ, pågår också.

Mekaniska egenskaper och prestanda under olika förhållanden

Prestandan för C-BN och WC varierar under olika mekaniska och miljömässiga förhållanden.

- Kubik bornitrid: upprätthåller sin hårdhet vid förhöjda temperaturer, vilket gör den idealisk för höghastighetsbearbetning där värmeproduktion är betydande. Dess kemiska inerthet förhindrar nedbrytning i aggressiva miljöer, vilket möjliggör längre verktygslängd när man skär järnmetaller.

- Volframkarbid: Även om det är mycket hårt, kan oxidera och försämras vid temperaturer över 500–600 ° C, vilket begränsar dess användning i högtemperaturapplikationer. Emellertid tillåter dess överlägsna seghet den att absorbera effekter och motstå fraktur bättre än C-BN, vilket är mer sprött. Denna seghet gör WC att föredra i applikationer där mekanisk chock är vanligt.

Sammanfattning av viktiga skillnader

Slutsats

I slaget om hårdhet mellan bornitrid och volframkarbid sticker kubikbornitrid tydligt ut som det hårdare materialet, med en Mohs hårdhet på 9,5 till 10 och Vickers hårdhet nästan dubbelt så mycket som volframkarbid. Dess överlägsna termiska stabilitet och kemisk resistens gör det oumbärligt för att klippa härdade stål och slipande bearbetningsuppgifter där volframkarbidverktyg kan misslyckas.

Volframkarbid förblir emellertid ett mångsidigt, tufft och kostnadseffektivt material som används allmänt i industrin. Dess hårdhet är imponerande men överträffar inte den för kubisk bornitrid. Därför, för applikationer som kräver yttersta hårdhet och termisk stabilitet, är kubisk bornitrid det föredragna valet, medan volframkarbid gynnas där seghet och kostnadseffektivitet är prioriteringar.

Vanliga frågor (FAQ)

1. Vad är den största skillnaden mellan bornitrid och volframkarbid när det gäller hårdhet?

Kubisk bornitrid är betydligt svårare än volframkarbid, med en MOHS -hårdhet på cirka 9,5–10 jämfört med volframkarbidens 9–9,5. Vickers hårdhet är också mycket högre, vilket gör den mer slitsträckt i krävande applikationer.

2. Kan volframkarbid vara svårare än bornitrid under några förhållanden?

Nej, volframkarbides inneboende hårdhet är lägre än kubisk bornitrid. Tungsten Carbide erbjuder emellertid bättre seghet och är mindre spröd, vilket kan vara fördelaktigt beroende på applikationen.

3. Varför föredras kubisk bornitrid framför volframkarbid för att klippa härdade stål?

Kubisk bornitrid upprätthåller sin hårdhet och kemisk stabilitet vid höga temperaturer och motstår slitage bättre när man bearbetar järnmaterial, vilket kan försämra volframkarbidverktygen snabbare.

4. Är volframkarbid billigare än kubisk bornitrid?

Ja, volframkarbid är i allmänhet billigare och lättare att producera, vilket gör det vanligare i många industriella verktyg där extrem hårdhet inte är det primära kravet.

5. Finns det andra former av bornitrid förutom kubik bornitrid?

Ja, hexagonal bornitrid (H-BN) är en mjukare form som används som smörjmedel, och Wurtzite bornitrid (W-BN) är en sällsynt form som kan vara ännu svårare än diamant men är svår att syntetisera i ren form.