Nitrură de bor

Structură cristalină
__ B 3+      __ N 3−
General
Nume de familie	Nitrură de bor
Formula raportului	BN
Descriere scurta	solid alb, inodor
Identificatori externi / baze de date
numar CAS 10043-11-5 Numărul CE 233-136-6 ECHA InfoCard 100.030.111 PubChem 66227 Wikidata Q410193
proprietăți
Masă molară	24,83 g mol -1
Starea fizică	cu fermitate
densitate	2,25 g cm −3 (α-BN, hexagonal) 3,45 g cm −3 (β-BN, cubic)
Punct de topire	2967 ° C
solubilitate	aproape insolubil în apă
instructiuni de siguranta
Etichetarea pericolului GHS Pericol Frazele H și P. H: 319-335 P: 261-305 + 351 + 338
Proprietăți termodinamice
ΔH f 0	−254,4 kJ / mol
În măsura în care este posibil și obișnuit, sunt utilizate unități SI . Dacă nu se specifică altfel, datele furnizate se aplică condițiilor standard .

Nitrura de bor , formula chimică BN, este un compus bor - azot care apare în trei modificări (α, β, γ). Conform structurii lor cristaline, ele sunt cunoscute și sub numele de nitrură de bor hexagonală, cubică sau wurtzitică (h-BN, c-BN, w-BN). Β-BN cub este stabil în condiții normale, celelalte două modificări sunt metastabile și nici nitrura de bor amorfă nu cristalizează. Α-BN hexagonal este stabil la peste 1200 ° C până la punctul de topire, wurtzitic γ-BN numai la presiuni foarte mari peste aproximativ 10 GPa. Desigur, apare doar nitrură de α-bor hexagonală metastabilă. Cele trei modificări sunt analoage cu cele ale carbonului, care este izoelectronic cu nitrură de bor . Nitrura de bor hexagonala poate fi atribuit grafit, cubi la diamant, și wurtzitic la Lonsdaleite . În mod corespunzător, nitrura de bor este un polimer ridicat, în cazul modificării hexagonale cu duritate foarte scăzută și proprietăți de alunecare, în cazul cubic cu duritate extrem de ridicată. Nitrura de β-bor cubic a fost sintetizată pentru prima dată de Robert Wentorf în 1957 și a fost cel mai greu material cunoscut la acea vreme după diamante. În 1969, CBN (nitrură de bor cristalină cubică) a fost introdusă pe piață de General Electric sub denumirea „ BORAZON ”; prețul a depășit atunci prețul aurului . Producția comercială de CBN a fost stabilită abia de la începutul anilor 1990.

proprietăți

Rezistența reziduală a diferitelor fibre cu creșterea căldurii

CBN este unul dintre cele mai dure materiale. În condiții normale, nitrura de bor are o duritate Knoop de aproximativ 48  GPa (48.000 N / mm²), comparativ cu diamantul cuprins între 70 și 100 GPa.

Atunci când sunt utilizate corespunzător, sculele fabricate din CBN se uzează mult mai lent decât alte materiale de tăiere . Pe de o parte, acest lucru permite obținerea unei precizii dimensionale și de formă mai mari, iar pe de altă parte, materialele foarte dure (oțel până la 70 HRC ) pot fi prelucrate în mod fiabil. Cu toate acestea, datorită durității sale ridicate, CBN este foarte fragil, ceea ce pune în perspectivă adecvarea sa pentru prelucrarea cu tăieturi întrerupte.

Similar diamantului, CBN are o conductivitate termică ridicată , și anume de cinci ori conductivitatea termică a cuprului. B. este absorbit de roata de măcinat în timpul măcinării și poate fi eliberat în agentul de răcire sau în mediu. Piesa de prelucrat se încălzește mult mai puțin decât la șlefuirea cu corindon , astfel încât structura zonei de margine este mai puțin afectată. Temperaturile de măcinare relativ ridicate nu atacă chimic CBN atunci când se prelucrează fierul , nichelul sau cobaltul .

Instrumentele CBN pot fi utilizate cu sau fără lubrifiant de răcire.

În timp ce diamantul suferă o pierdere masivă de duritate la aproximativ 700 ° C, duritatea CBN rămâne aproape neschimbată la peste 1000 ° C. Diamantul poate fi măcinat cu CBN sub influența căldurii.

Structuri cristaline

Mezomerism cu nitrură de bor

Structural, nitrura de α-bor poate fi comparată cu grafitul . De asemenea, este format din straturi ale unei structuri de fagure plane, hexagonale, în care atomii B și N apar alternativ. Spre deosebire de grafit, hexagonele straturilor individuale sunt aliniate astfel încât un atom de N să poată fi găsit sub și deasupra fiecărui atom B (și invers). Proprietățile fizice ale α-BN și ale grafitului sunt foarte similare. Densitățile lor sunt practic identice și ambele au un punct de topire foarte ridicat. De asemenea, se simt ca talc pe piele atunci când sunt frecate. Există, totuși, o diferență în ceea ce privește conductivitatea electrică. α-BN conduce electricitatea doar la temperaturi foarte ridicate. Înainte de aceasta, electronii de legătură p _π- p _π sunt localizați de preferință în apropierea azotului datorită diferenței EN. Prin urmare, electronii π nu sunt liberi să se miște și o transmisie de curent nu este posibilă.

Nitrura cubic β-bor, de asemenea , CBN ( English Cubic nitrura de bor ), este în structura blendă cubică, aristotype din care este structura diamant . Forma γ, pe de altă parte, corespunde structurii hexagonale wurtzite, al cărei aristotip este diamantul hexagonal Lonsdaleite . Cu toate acestea, este metastabil în ceea ce privește forma β. Densitatea crescută cu peste 50% a formelor diamantate de nitrură de bor poate fi explicată în comparație cu forma α asemănătoare grafitului prin faptul că distanța dintre straturi este redusă cu aproximativ 30%.

α-BN, hexagonal	β-BN, structură cubică	BN, sistem de cristal hexagonal sau structură wurtzite

de fabricație

Pentru a produce nitrură de α-bor hexagonală, trioxidul de bor B ₂ O ₃ poate reacționa cu azotul elementar N ₂ . Această reacție se efectuează la temperaturi ridicate cu cataliza fosfatului de calciu Ca ₃ (PO ₄ ) ₂ . In loc de azot, amoniac NH ₃ sau un compus de amoniu poate fi utilizat de asemenea, și în loc de oxid de bor, o halogenură de bor poate fi de asemenea utilizat. Aceasta creează modificarea α (incoloră).

${\ displaystyle \ mathrm {B_ {2} O_ {3} +2 \ NH_ {3} \ longrightarrow 2 \ BN + 3 \ H_ {2} O}}$

${\ displaystyle \ mathrm {BBr_ {3} +4 \ NH_ {3} \ longrightarrow BN + 3 \ NH_ {4} Br}}$

${\ displaystyle \ mathrm {BCl_ {3} +4 \ NH_ {3} \ longrightarrow BN + 3 \ NH_ {4} Cl}}$

Similar diamantului din grafit, nitrura de β-bor (CBN) poate fi produsă din α-BN la temperaturi ridicate (1500-2200 ° C) și presiune ridicată (50-90 kbar). Nitrura de litiu (Li ₃ N) poate fi utilizată ca catalizator . La presiuni și mai mari apare forma γ. Cu toate acestea, deoarece revenirea la condiții normale conduce prin regiunea de fază a β-BN, există riscul de conversie dacă acest proces nu este suficient de rapid. Prin urmare, sinteza γ-BN se efectuează și la temperaturi mai scăzute pentru a putea ajunge mai rapid la starea metastabilă.

utilizare

Inserție indexabilă : corp de bază din carbură cu muchii tăietoare lipite din nitrură de bor cubic policristalin.

Din punct de vedere tehnic, nitrura de β-bor (CBN) este utilizată în principal ca material abraziv și ca material de tăiere pentru inserții indexabile pentru prelucrarea oțelului , deoarece - spre deosebire de diamante - nu poate elibera carbon în oțel atunci când este expus la temperatură. Este, de asemenea, utilizat pentru acoperirea suprafeței din același motiv.

Modificarea hexagonală de tip grafit (nitrură de α-bor) este utilizată ca lubrifiant („anorganic” sau „grafit alb”). Spre deosebire de grafit, coeficientul de frecare al nitrurii de bor hexagonale rămâne stabil până la peste 1000 ° C, motiv pentru care este foarte potrivit ca lubrifiant solid la temperaturi ridicate sub vid. La temperatură ridicată (1400–1800 ° C) și presiune înaltă (> 6 GPa), modificarea hexagonală este convertită în modificarea cubică , analogă cu conversia grafitului în diamant. Ambele modificări ale nitrurii de bor sunt albe și nu conduc electricitatea la temperaturi scăzute și moderate.

Deși nitrura de bor hexagonală a fost utilizată în cosmetică încă din 1940, aceasta nu a fost acceptată decât în ​​anii 1990, după ce costurile de fabricație au scăzut brusc. Opacitatea ridicată și textura asemănătoare grafitului, care este avantajoasă pentru aplicare, sunt proprietățile decisive pentru utilizarea în machiaj.

Un burete poros din nitrură de bor este capabil să absoarbă de aproximativ 33 de ori greutatea sa în ulei și solvenți organici. După arderea sau evaporarea lichidelor absorbite, buretele filtrant poate fi recuperat neschimbat. Această proprietate poate fi utilizată pentru tratarea sau purificarea apei .

Nitrura de bor hexagonală este investigată ca material potențial pentru diode emițătoare de lumină (UV) datorită proprietăților sale interesante ca semiconductor compus III-V (spațiu de bandă 5,8 eV, electron mare și mobilitate în găuri).

Folosiți ca abraziv

Roțile CBN sunt utilizate pentru șlefuire:

• oțeluri călite de mare viteză (HSS)
• oțeluri de unelte cu aliaj înalt cu cel puțin 55 HRC
• oțeluri întărite
• Acoperiri cu pulbere pe bază de fier
• Fontă răcită
• Calități de oțel moale în anumite aplicații
• Stellite
• Superaliaje pe bază de nichel

Viteza de măcinare

Viteza optimă de tăiere depinde de diferiți factori:

• Tipul de măcinare (rotund, plat, pendul, măcinare profundă etc.)
• Răcire (ulei, măcinare uscată)
• Mașină (stabilitate, viteză ax)

Puteți lucra cu CBN în condiții optime pentru măcinarea de mare viteză în loc de 30-60 m / s normale pentru măcinarea umedă, sau de 15-20 m / s la viteze mult mai mari. Pentru aceasta, totuși, mașinile trebuie să fie proiectate astfel încât să fie în mod corespunzător stabile, iar răcirea uleiului trebuie efectuată cu duze potrivite și o presiune suficientă.

Misto

La măcinarea cu CBN, uleiul pur de măcinare este utilizat pentru răcire. Generarea de căldură este evitată de ulei și efectul său de lubrifiere. În același timp, consumul de energie este redus semnificativ. Durata de viață este de trei ori mai mare comparativ cu alte medii de răcire. Este destul de posibil și se folosește și pentru răcirea cu o emulsie ulei-apă. Cu toate acestea, nu numai că durata de viață este mai scurtă, contaminarea mașinii cu emulsie este, de asemenea, semnificativ mai mare decât cu uleiul de măcinat pur.

Cu toate acestea, se face distincția între discurile special concepute pentru măcinarea umedă și care ar trebui apoi utilizate numai la măcinarea uscată cu viteză redusă și alimentarea numai în circumstanțe excepționale. Discurile concepute pentru măcinarea uscată pot fi utilizate și pentru măcinarea umedă; Cu toate acestea, în șlefuirea uscată trebuie folosite presiuni de contact și intrări mai mici.

Legături

În timpul măcinării CBN, boabele sunt acoperite cu un strat metalic subțire din nichel sau cupru. Ca rezultat, bobul este ținut în mod optim în legătură și căldura de măcinare rezultată este condusă în legătură. Se face distincția între diferite tipuri de legare în funcție de materialul de legare.

Legături de rășină

Peste 50% din toate sarcinile de măcinare pot fi realizate cu legături de rășină sintetică, deoarece sunt posibile multe variante de legare și rate ridicate de îndepărtare. În plus, acest lucru conferă roții o aderență excelentă și determină presiuni de măcinare scăzute și temperaturi scăzute. Sunt potrivite atât pentru măcinarea uscată, cât și pentru cea umedă.

Materialul corpului:

• aluminiu
• Rășină de aluminiu
• Rășină de grafit
• Unii producători folosesc și ceramica ca material de bază dacă sunt discuri cu granulație foarte fină (<B25 = 30-20 µm).

Legături metalice

Legăturile metalice au forțe de reținere a granulației foarte mari și, prin urmare, sunt utilizate în principal la măcinarea umedă. Datorită rezistenței ridicate la uzură, acestea sunt utilizate în special pentru discurile de profil cu reținere a profilului ridicat. În ceea ce privește performanța de prelucrare, acestea sunt însă inferioare legăturilor din plastic.

Materialul corpului:

• oţel
• bronz

Legături galvanice

De obicei, este menținut doar stratul de boabe, boabele fiind încorporate într-o legătură de nichel și aproximativ 30-50% ieșind din legătură. Acest lucru creează o aderență foarte bună cu o performanță de măcinare foarte mare. Cu toate acestea, durata totală de viață este foarte scurtă, deoarece se termină atunci când înălțimea căptușelii este uzată.

Materialul corpului:

• oţel
• Aluminiu (materialul corpului de bază din aluminiu este mai întâi placat cu cupru înainte de acoperire cu CBN, deoarece nichelul nu aderă bine sau deloc la aluminiu)

Legături ceramice

Legătura poroasă și profilabilă este potrivită pentru materialele cu așchii lungi. Rezultatul este forțe de măcinare reduse, calitate ridicată a suprafeței, rate ridicate de îndepărtare a stocului și opțiuni de pansament.

Materialul corpului:

• oţel
• aluminiu
• Ceramică (așa-numitele "geamuri compozite")
• Fibra de carbon

La alegerea legăturii, este important ca bobul să fie păstrat în legătură atâta timp cât are încă margini. Cu toate acestea, dacă boabele sunt contondente, trebuie să se desprindă de legătură. Dacă forța de menținere a granulei este prea mare, presiunea de măcinare și temperatura cresc: roata se înfundă, se murdărește și își pierde capacitatea de îndepărtare.

Instrucțiuni

utilaje

Mașinile utilizate pentru rectificarea CBN ar trebui să fie extrem de stabile și să aibă axuri de rectificare perfecte și suporturi pentru roți. Ghidajele trebuie să funcționeze fără joc, masa trebuie să se deplaseze lin și întreaga mașină trebuie să fie configurată fără vibrații. În plus, puterea motorului trebuie dimensionată în așa fel încât să poată fi folosite și viteze de tăiere mai mari și să nu existe o scădere semnificativă a vitezei cu alimentări mai mari.

Discuri

Șaibele trebuie măcinate cât mai precis posibil, astfel încât să poarte uniform. O posibilitate pentru discurile mari este de a trimite o flanșă și o mandrină adecvată de măcinare sau echilibrare către producător, astfel încât discul să poată fi împământat cu acestea și abaterea de rulare să fie cât mai mică posibil. Discul trebuie să rămână apoi pe suport până când este complet uzat pentru a evita posibilele erori de execuție.

Nitrură de bor cub policristalin

P olykristallines k ubisches B ornitrid (PKB / engleză PCBN ) este un material compozit sintetic din nitrură de bor cub (cBN) cu fază de liant ceramic . Pentru producția de PCBN, micro-boabele cBN sunt sintetizate din nitrură de bor hexagonală la temperaturi și presiuni ridicate . Aceste particule de cBN sunt apoi sortate și caracterizate înainte de a trece printr-un al doilea proces de sinteză, care se realizează cu adăugarea unui material liant ceramic. PCBN este disponibil în diferite rapoarte și formate de liant PCBN.

PKB este denumit ca material de tăiere în conformitate cu standardul ISO BN , dar denumirile CBN sau PCBN sunt de asemenea utilizate frecvent.

utilizare

Nitrura de bor cubic policristalină este utilizată pe scară largă la prelucrarea unei game largi de materiale dure și / sau abrazive din piese de prelucrat din FE. PCBN este inert chimic până la temperaturi ridicate și, spre deosebire de PCD , nu reacționează cu fierul din materialele feroase. Piesele tipice prelucrate cu PCBN sunt de ex. B. discuri de frână , blocuri de motor , garnituri de cilindru, tamburi de frână , volante , scaune și ghidaje ale supapelor, piese ale mașinilor, roți dințate, piese presate și ștampilate etc.

Materialele tipice pentru piese sunt:

• Oțel pentru scule pentru lucru la cald / rece (45-65 HRC)
• Oțel călit la carcasă (45-65 HRC)
• Oțel de mare viteză (45-65 HRC)
• Rulment din oțel (45-65 HRC)
• Fier sinterizat (45-65 HRC)
• Aliaje sudabile (> 35 HRC)
• Fontă gri (200-280 HBN)

Nitrură de bor pirolitică

Creuzet sinterizat din nitrură de bor

Foarte strâns legată de nitrura de β-bor este nitrura de bor pirolitică, care este prescurtată în pBN sau PBN. Datorită consumului redus de gaz, chiar și la temperaturi ridicate, creuzetele din pBN sunt utilizate ca celule de revărsare în epitaxie cu fascicul molecular .

Dovezi individuale

1. ↑ ^{a b} fișă tehnică nitrură de bor de la AlfaAesar, accesată la 2 februarie 2010 ( PDF )(JavaScript este necesar) .
2. ^ ^{A b} A. F. Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Manual de chimie anorganică . Ediția a 102-a. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1 .
3. ↑ David R. Lide: Manualul de chimie și fizică al CRC . Ediția a 90-a. Taylor & Francis, 2009, ISBN 978-1-4200-9084-0 . 
4. ↑ ^{a b} fișă tehnică nitrură de bor de la Sigma-Aldrich , accesată la 14 martie 2011 ( PDF ).Șablon: Sigma-Aldrich / numele nu este datȘablon: Sigma-Aldrich / data nu este dată
5. ↑ David R. Lide (Ed.): Manualul de chimie și fizică al CRC . Ediția a 90-a. (Versiunea Internet: 2010), CRC Press / Taylor și Francis, Boca Raton, FL, Proprietăți termodinamice standard ale substanțelor chimice, pp. 5-6.
6. ↑ Borazon-CNB. ( Memento din 30 septembrie 2011 în Arhiva Internet )
7. ↑ Georg Brauer , cu colaborarea Marianne Baudler și alții. (Ed.): Manual de chimie anorganică preparativă . Ediția a treia, revizuită. bandă Eu . Ferdinand Enke, Stuttgart 1975, ISBN 3-432-02328-6 , pp. 806 . 
8. ↑ Martin Engler, Christoph Lesniak, Ralf Damasch, Bernd Ruisinger, Jens Eichler: Nitrură hexagonală de bor (hBN) - Aplicații de la metalurgie la cosmetică . În: Ceramic forum international, rapoarte ale German Ceramic Society . bandă 84 , 2007, ISSN  0173-9913 , p. E49-E53 ( PDF ). 
9. ↑ Lars Fischer: Buretele cu nitrură de bor elimină uleiul din apă. Raport la Spektrum.de din 2 mai 2013.
10. ↑ Weiwei Lei, David Portehault, Dan Liu, Si Qin și Ying Chen: nanofolii de nitrură de bor poros pentru curățarea eficientă a apei. În: Nature Communications. 4 (1777) 30 aprilie 2013; doi: 10.1038 / ncomms2818 .
11. ↑ Katrin Sedlmeier: Tratarea apei cu LED-uri UV. (PDF) TU-Berlin , 2008, pp. 9-10 , accesat la 6 iunie 2015 . 

Link-uri web

aplicații tehnice cu nitrură de bor