Daha sert bor nitrür veya tungsten karbür nedir?

İçerik Menüsü

● Bor Nitrürü Anlamak

>> Bor nitrür biçimleri

>> Kübik bor nitrürün sertliği ve özellikleri

>> Termal ve elektriksel özellikler

● Tungsten Karbürü Anlamak

>> Sertlik ve mekanik özellikler

>> Termal ve kimyasal stabilite

● Ayrıntılı kristal yapılar ve bağlanma

● Genişletilmiş endüstriyel ve teknolojik uygulamalar

● Çevresel ve ekonomik hususlar

● Gelecekteki Araştırmalar ve Gelişmeler

● Farklı koşullarda mekanik özellikler ve performans

● Temel farklılıkların özeti

● Çözüm

● Sık Sorulan Sorular (SSS)

>> 1. Sertlik açısından bor nitrür ve tungsten karbür arasındaki temel fark nedir?

>> 2. Tungsten karbür herhangi bir koşulda bor nitrürden daha zor olabilir mi?

>> 3. Kübik bor nitrür neden sertleştirilmiş çelikleri kesmek için tungsten karbür üzerinde tercih edilir?

>> 4. Tungsten karbür kübik bor nitrürden daha ucuz mu?

>> 5. Kübik bor nitrür dışında başka bor nitrür biçimleri var mı?

Kesme araçları, aşındırıcılar ve aşınmaya dayanıklı parçalar gibi endüstriyel uygulamalarda kullanılan süper sert malzemeler söz konusu olduğunda, hem bor nitrür hem de Tungsten karbür en iyi yarışmacılar arasında. Bununla birlikte, kristal yapıları, sertlikleri, termal stabilitesi ve tipik kullanımlarında önemli ölçüde farklılık gösterirler. Bu makale bor nitrürün (özellikle kübik bor nitrür) ve tungsten karbürün sertliğini ve diğer ilgili özelliklerini araştırıyor, soruyu cevaplamak için güçlü ve zayıf yönlerini karşılaştırıyor: Hangisi daha sert, bor nitrür veya tungsten karbür?

Bor Nitrürü Anlamak

Bor nitrür (BN), çok farklı özellikler sergileyen birkaç kristal formda bulunan bor ve azot atomlarından yapılmış bir bileşiktir.

Bor nitrür biçimleri

- Altıgen bor nitrür (H-BN): Yapıda grafite benzer şekilde, katmanlar içindeki güçlü kovalent bağlarla yumuşak ve yağlıdır, ancak katmanlar arasında zayıf bağ.

-Kübik bor nitrür (C-BN): Elmas benzeri kübik bir kristal yapıya sahiptir, bu da onu son derece sert ve termal olarak kararlı hale getirir.

- Wurtzit bor nitrür (W-BN): Sertlik potansiyel olarak elmasla birlikte Lonsdaleite (altıgen elmas) yapısal olarak benzer altıgen bir form.

Kübik bor nitrürün sertliği ve özellikleri

Kübik bor nitrür, MOHS sertliği yaklaşık 9.5 ila 10 olan elmastan sonra bilinen en sert ikinci malzemedir. CBN ayrıca kimyasal olarak stabildir ve sertliğini yüksek sıcaklıklarda tutar, bu da sertleştirilmiş çelikleri ve aşındırıcı ortamları kesmek için idealdir.

CBN'nin sertliği, elmasa benzer, ancak demir malzemeleri işlerken daha iyi termal ve kimyasal stabiliteye benzer şekilde kübik bir kafesteki güçlü kovalent bağından kaynaklanır. Nanometre boyutlu taneli polikristalin C-BN, elmasla karşılaştırılabilir veya aşan sertlik sergileyebilir.

Termal ve elektriksel özellikler

Bor nitrür, özellikle C-BN, elektrik izolatörleri arasında mükemmel termal iletkenliğe sahiptir ve çok yüksek sıcaklıklara (mekanik olarak 2350 ° C'ye kadar) dayanabilir. Ayrıca, LED'ler ve lazerler gibi sertliğin ötesinde uygulamaları açan voltaj altında UV ışığı yayarak geniş bant boşluğu yarı iletken özellikleri sergiler.

Tungsten Karbürü Anlamak

Tungsten karbür (WC), altıgen bir kristal kafes içinde tungsten ve karbon atomlarının bir bileşiğidir. Endüstriyel makinelerde, kesme aletlerinde, madencilikte ve yüksek sertliği ve sertliği nedeniyle parçalarda yaygın olarak kullanılır.

Sertlik ve mekanik özellikler

Tungsten Carbide, 9 ila 9.5 civarında bir MOHS sertliğine ve yaklaşık 2400 HV Vickers sertliğine sahiptir. 530 ila 700 GPa arasında bir genç modülü, çeliğin yaklaşık üç katı ile son derece serttir. Yoğunluğu yüksektir (~ 15 g/cm³), sağlamlığına katkıda bulunur.

WC zordur ve kırılma tokluğunu iyileştirmek, sertliği ve kırılganlığı dengelemek için kobalt bağlayıcılarla sindirilebilir. Çoğu çelik ve seramikten daha zordur, ancak yine de kübik bor nitrürden daha yumuşaktır.

Termal ve kimyasal stabilite

WC, yüksek bir erime noktasına (~ 2780 ° C) ve iyi termal iletkenliğe (~ 110 w/m · k) sahiptir. Bununla birlikte, 500-600 ° C'den başlayarak oksitlenir ve çok yüksek sıcaklıklarda ayrışır. Birçok aside karşı kimyasal olarak kararlıdır, ancak hidrofluorik asit ve nitrik asit gibi karışımlarla saldırıya uğrayabilir.

Ayrıntılı kristal yapılar ve bağlanma

Kübik bor nitrür (C-BN) ve tungsten karbürün (WC) olağanüstü sertliği, benzersiz kristal yapılarına ve bu yapılardaki atomik bağların doğasına atfedilebilir.

- Kübik bor nitrür: Her bor atomunun dört azot atomuna tetrahedral olarak koordine edildiği ve bunun tersi bir çinko-karıştırıcı kristal yapısı benimser. Bu güçlü kovalent bağlanma ağı, deformasyona direnen sert bir kafesle sonuçlanır. C-BN'deki güçlü yönlü bağlar, yüksek sertliğine ve termal stabilitesine katkıda bulunur.

- Tungsten Karbür: Tungsten ve karbon atomlarının sıkıca paketlendiği altıgen yakın paketlenmiş bir yapıda kristalleşir. WC'deki bağ, sertlik ve tokluk arasında bir denge sağlayan kovalent, metalik ve iyonik karakterin bir karışımıdır. Metalik bağlanma bileşeni, C-BN gibi tamamen kovalent malzemelere kıyasla sertliği arttıran bir dereceye kadar plastik deformasyona izin verir.

Genişletilmiş endüstriyel ve teknolojik uygulamalar

Aletleri ve aşındırıcıları kesmenin ötesinde, hem bor nitrür hem de tungsten karbür, çeşitli gelişmiş teknolojik alanlarda kullanımları bulur.

- Kübik bor nitrür: Oksidasyon ve termal bozulmaya karşı direnci nedeniyle havacılık bileşenleri için yüksek performanslı kaplamalarda kullanılır. Ayrıca, mükemmel termal iletkenliği ve elektrik yalıtım özellikleri nedeniyle yüksek güçlü, yüksek frekanslı yarı iletkenler için bir substrat malzemesi olarak elektronik cihazlarda da kullanılır. Ek olarak, C-BN, aşırı sertliğin gerekli olduğu hassas öğütme tekerleklerinde ve parlatma uygulamalarında kullanılır.

- Tungsten Karbür: Madencilik araçları, matkap bitleri ve aşınmaya dayanıklı kaplamalarda yaygın olarak kullanılır. Sertliği, etki ve aşınma içeren uygulamalar için uygun hale getirir. Ek olarak, WC mücevherlerde halkalar ve saatler için dayanıklı ve çizilmeye dayanıklı bir malzeme olarak kullanılır. Ayrıca, aşınma direncinin takım ömrünü uzattığı metal şekillendirme ve ekstrüzyon kalıplarında da hizmet eder.

Çevresel ve ekonomik hususlar

Her iki malzemenin üretimi enerji yoğun süreçleri içerir.

-Kübik bor nitrür: Sentez tipik olarak önemli enerji tüketen ve özel ekipman gerektiren yüksek basınçlı, yüksek sıcaklık (HPHT) yöntemleri gerektirir. Üretimin karmaşıklığı daha yüksek maliyetine ve sınırlı kullanılabilirliğine katkıda bulunur.

- Tungsten Karbür: Üretim, daha az enerji yoğun olan ancak yine de koşulların dikkatli kontrolünü gerektiren tungsten ve karbon tozlarının sinterlenmesini içerir. WC daha uygun fiyatlı ve yaygın olarak mevcuttur, bu da onu birçok endüstriyel uygulama için tercih edilen materyal haline getirir.

Çevresel bir bakış açısından, madencilik ve tungsten ve bor kaynaklarının ekolojik etkileri vardır. Tungsten karbür aletlerinin geri dönüşümü, atık ve kaynak tüketimini azaltmak için yaygındır. Çevresel ayak izini azaltmak için C-BN için daha yeşil sentez yöntemleri üzerine araştırmalar devam etmektedir.

Gelecekteki Araştırmalar ve Gelişmeler

Superhard malzemelerinin sentez yöntemlerini ve özelliklerini iyileştirmeye devam etmektedir.

- Bor Nitrür: Çabalar, sertlik potansiyellerinden tam olarak yararlanmak için kübik ve wurtzit formlarının daha büyük, kusursuz kristalleri üretmeye odaklanır. C-BN içeren nanoyapı ve kompozit malzemeler sertliği korurken tokluğu artırmayı amaçlamaktadır. Kimyasal buhar birikimi (CVD) gibi yeni sentez teknikleri, üstün performansa sahip ince filmler ve kaplamalar oluşturmak için araştırılmaktadır.

- Tungsten Karbür: Araştırmalar, alaşım ve ileri kaplamalarla oksidasyon direncini ve termal stabilitesini geliştirmeyi amaçlamaktadır. WC'yi diğer seramikler veya metallerle birleştiren hibrit malzemeler, belirli uygulamalar için performansı optimize etmek için geliştirilmektedir. Kobaltın daha az toksik alternatiflerle değiştirilmesi gibi bağlayıcı malzemelerdeki yenilikler de devam etmektedir.

Farklı koşullarda mekanik özellikler ve performans

C-BN ve WC'nin performansı farklı mekanik ve çevresel koşullar altında değişir.

- Kübik bor nitrür: Sertliğini yüksek sıcaklıklarda korur, bu da ısı üretiminin önemli olduğu yüksek hızlı işleme için idealdir. Kimyasal inertliği, agresif ortamlarda bozulmayı önler ve demir metalleri keserken daha uzun takım ömrünü sağlar.

- Tungsten Karbür: Çok sert olsa da, 500-600 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda oksitlenebilir ve bozulabilir ve yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanımını sınırlayabilir. Bununla birlikte, üstün sertliği, etkileri emmesine ve kırılmayı daha kırılgan olan C-BN'den daha iyi direnmesine izin verir. Bu tokluk, mekanik şokun yaygın olduğu uygulamalarda WC'yi tercih eder.

Temel farklılıkların özeti

Çözüm

Bor nitrür ve tungsten karbür arasındaki sertlik savaşında, kübik bor nitrür, 9.5 ila 10 MOHS sertliği ve Vickers sertliği Tungsten karbürün neredeyse iki katı ile daha sert malzeme olarak göze çarpıyor. Üstün termal stabilitesi ve kimyasal direnci, sertleştirilmiş çeliklerin kesilmesini ve tungsten karbür araçlarının başarısız olabileceği aşındırıcı işleme görevleri için vazgeçilmez hale getirir.

Bununla birlikte, Tungsten karbür, endüstride yaygın olarak kullanılan çok yönlü, sert ve uygun maliyetli bir malzeme olmaya devam etmektedir. Sertliği etkileyici ama kübik bor nitrürünü aşmıyor. Bu nedenle, en yüksek sertlik ve termal stabilite talep eden uygulamalar için, kübik bor nitrür tercih edilen seçimdir, Tungsten karbür, tokluk ve maliyet verimliliğinin öncelikler olduğu yerlerde tercih edilir.

Sık Sorulan Sorular (SSS)

1. Sertlik açısından bor nitrür ve tungsten karbür arasındaki temel fark nedir?

Kübik bor nitrür, Tungsten Carbide'nin 9-9.5'ine kıyasla MOHS sertliği ile Tungsten karbürden önemli ölçüde daha zordur. Vickers sertliği de çok daha yüksektir, bu da zorlu uygulamalarda daha fazla aşınmaya dayanıklıdır.

2. Tungsten karbür herhangi bir koşulda bor nitrürden daha zor olabilir mi?

Hayır, Tungsten karbürün iç sertliği kübik bor nitrürden daha düşüktür. Bununla birlikte, Tungsten Carbide daha iyi tokluk sunar ve daha az kırılgandır, bu da uygulamaya bağlı olarak avantajlı olabilir.

3. Kübik bor nitrür neden sertleştirilmiş çelikleri kesmek için tungsten karbür üzerinde tercih edilir?

Kübik bor nitrür, yüksek sıcaklıklarda sertliğini ve kimyasal stabilitesini korur ve tungsten karbür aletlerini daha hızlı bozabilen demir malzemeleri işlerken daha iyi aşınmayı direnir.

4. Tungsten karbür kübik bor nitrürden daha ucuz mu?

Evet, tungsten karbür genellikle daha ucuzdur ve üretimi daha kolaydır, bu da aşırı sertliğin birincil gereksinim olmadığı birçok endüstriyel araçta daha yaygındır.

5. Kübik bor nitrür dışında başka bor nitrür biçimleri var mı?

Evet, altıgen bor nitrür (H-BN) bir yağlayıcı olarak kullanılan daha yumuşak bir formdur ve Wurtzite Bor Nitrür (W-BN), elmastan bile daha zor olabilen ancak saf formda sentezlenmesi zor olan nadir bir formdur.