Warum und wann sollte ein Bornitrid-Tiegel verwendet werden?

Einführung

Tiegel sind in verschiedenen Branchen von entscheidender Bedeutung, und die Wahl des Tiegelmaterials hat erheblichen Einfluss auf die Prozessqualität und -effizienz. Tiegel aus Bornitrid (BN) haben aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften Aufmerksamkeit erregt. In diesem Artikel werden Bornitrid-Tiegel mit anderen gängigen Tiegelmaterialien verglichen und die Vorteile von BN hervorgehoben.

Chemische Inertheit:

BN-Tiegel sind chemisch hochgradig inert und widerstehen Reaktionen mit geschmolzenen Metallen und korrosiven Substanzen. Dies minimiert die Kontamination und bewahrt die Materialintegrität.

Nichtbenetzung geschmolzener Metalle:

Tiegel aus Bornitrid weisen eine geringe Benetzbarkeit für geschmolzene Metalle auf, was ein Anhaften verhindert und eine einfache Materialentfernung ermöglicht. Diese Eigenschaft ist für Prozesse mit reaktiven und klebrigen Materialien von Vorteil und reduziert Haftungsprobleme.

Wärmeschockbeständigkeit:

BN-Tiegel weisen eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit auf und halten schnellen Temperaturschwankungen stand, ohne zu reißen oder sich zu verformen. Dies erhöht die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des Tiegels, insbesondere bei Anwendungen mit anspruchsvollen Temperaturwechseln im Gegensatz zu Quarz- und Aluminiumoxidtiegeln.

Elektrische Isolierung:

Tiegel aus Bornitrid weisen starke elektrische Isolationseigenschaften auf und eignen sich daher für Prozesse, die elektrischen Widerstand oder Isolierung erfordern. Diese Eigenschaft ist bei Anwendungen wie dem Induktionsschmelzen wertvoll, bei denen im Gegensatz zu Graphittiegeln, die leitend sind, elektrische Ströme kontrolliert werden müssen.

Vergleichen Sie mit Metalltiegeln

Im Vergleich zu Tiegeln aus Metall bieten Tiegel aus Bornitrid mehrere Vorteile. Metallprodukte bieten Vielseitigkeit hinsichtlich der Verarbeitungsmethoden und ermöglichen die Herstellung verschiedener Formen und sogar großer Tiegel durch Schweißen. Allerdings neigen Metalle bei hohen Temperaturen zu chemischen Reaktionen und ihre Festigkeit nimmt unter solchen Bedingungen erheblich ab. Aufgrund ihrer hohen Temperaturtoleranz werden hochschmelzende Metalle wie Molybdän, Wolfram und Tantal bevorzugt. Doch je stärker die Temperaturtoleranz eines Metalls ist, desto schwieriger wird es in der Formgebung und Herstellung. Wolfram und Tantal beispielsweise sind knappe Ressourcen und die energieintensiven Herstellungsprozesse ihrer Tiegel erschweren Kostensenkungen. Diese Metalltiegel können aufgrund ihrer ähnlichen Zusammensetzung Verunreinigungen in die zu schmelzenden Materialien einbringen. Darüber hinaus weisen Metalltiegel im Vergleich zu Keramikmaterialien eine schlechte Benetzbarkeit für geschmolzenes Metall auf. Folglich bieten Keramiktiegel, wie zum Beispiel Bornitridtiegel, in bestimmten Anwendungen erhebliche Vorteile.

Tantaltiegel

Im Vergleich zu Graphit

Graphit ist eine kristalline Form von Kohlenstoff, die sich durch ihre dunkelschwarze bis tiefgraue Farbe auszeichnet. Graphit hat eine weiche Textur, eine glatte Oberfläche, Leitfähigkeit und chemische Inertheit. Daher wird es häufig für die Tiegelherstellung verwendet. Allerdings unterliegen Graphittiegel während des Schmelz- und Gießprozesses erheblicher Korrosion, was ihre Lebensdauer verkürzt. Darüber hinaus erhitzen induzierte Ströme aufgrund der Leitfähigkeit von Graphit in Induktionsöfen den Graphittiegel und nicht das Material darin. Diese Eigenschaft kann in manchen Fällen von Vorteil sein, ist aber nicht für alle Materialien geeignet. Darüber hinaus kann sich das Kohlenstoffelement im Graphit mit vielen Metallen verbinden, wodurch unerwünschte Verunreinigungen entstehen. Im Gegensatz dazu minimiert Bornitrid die Möglichkeit von Verunreinigungen im geschmolzenen Metall. Frühe Bornitridformulierungen enthielten Zusatzstoffe wie CaO als Bindemittel für ein leichteres Sintern, was eine Verunreinigung des Schmelzmaterials darstellen könnte. Da sich die Herstellungstechniken ständig weiterentwickeln, haben die Hersteller den Bedarf an Bindemitteln in Bornitrid-Materialien reduziert. Beispielsweise enthält BN99-Bornitrid von QS Advanced Materials nur etwa 0,3 % CaO, während TPBN-Bornitridkeramiken mit höherer Reinheit einen Gesamtverunreinigungsgrad von unter 0,1 % aufweisen.Sowohl Graphit- als auch Bornitridmaterialien bieten eine gute Verarbeitbarkeit und ermöglichen die CNC-Bearbeitung in verschiedene Formen. Wenn also Graphit komplexe Formen erzeugen kann, die für andere Keramiken eine Herausforderung darstellen, kann Bornitrid dasselbe erreichen.

Im Vergleich zu Oxidkeramik

Aluminiumoxid und Quarz sind die gebräuchlichsten Materialien für Oxidkeramiktiegel. Tiegel aus Oxidkeramik erfordern während des Produktionsprozesses keine Luftabschirmung, was zu relativ niedrigen Herstellungskosten führt und sie weit verbreitet macht. Allerdings sind Oxidkeramiken spröde und hart, was ihre Bearbeitung mit herkömmlichen Methoden erschwert, und ihre Formpräzision beim Direktsintern ist schlecht, was die Herstellung präzise geformter Tiegel schwierig macht. Darüber hinaus weisen Oxidkeramiken im Vergleich zu Bornitrid viel höhere Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, und hochdichte Oxidkeramiktiegel weisen eine schlechte Temperaturwechselbeständigkeit auf. Da es sich jedoch um Oxide handelt, ist die Anwesenheit von Sauerstoff in bestimmten spezifischen Anwendungen nicht akzeptabel, was die Verwendung alternativer Materialien erforderlich macht.

Karbidkeramiken sind neben Oxidkeramiken häufig verwendete hochtemperaturbeständige Keramikwerkstoffe. Ähnlich wie Oxidkeramiken handelt es sich um sehr harte Materialien, für die nach dem Sintern nur begrenzte Bearbeitungsmöglichkeiten wie Bohren und Schleifen bestehen. Eine relativ kostengünstige Methode zur Herstellung von Karbidkeramiken ist das reaktive Sintern. Diese Methode führt jedoch häufig zu einer erheblichen Menge an freiem Kohlenstoff, was für Tiegel nicht wünschenswert ist. Andererseits sind die Herstellungskosten hochreiner Karbidkeramiken erheblich hoch, was ihrer breiten Anwendung oft entgegensteht.

Im Vergleich zu anderen Nitridkeramiken

Beim Vergleich von Tiegeln aus Bornitrid mit anderen Tiegeln aus Nitridkeramik fallen deutliche Unterschiede auf. Siliziumnitrid ist neben Bornitrid der häufigste Vertreter der Nitridkeramik. Es hat ähnliche Eigenschaften wie Karbidkeramik: Es ist hart, hochfest und schwierig zu verarbeiten. Die Anpassung einer neuen Größe dauert oft über einen Monat und hochreine Siliziumnitridprodukte sind kostspielig. Daher wird die Verwendung von Siliziumnitrid als Tiegelmaterial, sofern nicht in besonderen Fällen, nicht empfohlen. Gleiches gilt für Aluminiumnitrid (das im Allgemeinen teurer ist als Siliziumnitrid). Im Gegensatz dazu sind die Vorteile von Bornitrid-Tiegeln offensichtlicher. Chemisch ähnelt es anderen Nitridkeramiken, ist jedoch weicher und kann nach dem Sintern in verschiedene Formen verarbeitet werden. Dadurch müssen Hersteller nur noch gesinterte Bornitrid-Rohlinge auf Lager halten und diese schnell zu unterschiedlich geformten Produkten für Kunden verarbeiten.Durch die Umstellung der Lagerungsmethoden werden die Gesamtkosten im Vergleich zu anderen Nitridkeramiken deutlich gesenkt. Infolgedessen ist Bornitrid zum am häufigsten verwendeten Nitridkeramikmaterial geworden.

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Bornitrid-Tiegel eine Reihe von Vorteilen bieten, die sie von anderen Tiegelmaterialien unterscheiden. Ihre Hochtemperaturstabilität, chemische Inertheit, nicht benetzende Eigenschaften, Temperaturwechselbeständigkeit und elektrische Isolierung machen sie in vielen Branchen zur bevorzugten Wahl. Während Materialien wie Graphit, Aluminiumoxid, Quarz und Zirkonium ihre eigenen Anwendungen haben, zeichnen sich Tiegel aus Bornitrid bei anspruchsvollen Prozessen aus, die extreme Temperaturen, Beständigkeit gegenüber chemischen Reaktionen, minimale Adhäsion, Temperaturwechselbeständigkeit und elektrische Isolierung erfordern.

Da die Technologie weiter voranschreitet, wird erwartet, dass die Nachfrage nach Bornitrid-Tiegeln aufgrund ihrer überlegenen Leistung und Zuverlässigkeit steigen wird. Die einzigartigen Eigenschaften von Bornitrid machen es zu einer optimalen Wahl für Anwendungen in der Materialwissenschaft, Metallurgie und chemischen Prozessen, bei denen Präzision, Reinheit und Effizienz von größter Bedeutung sind. Durch die Auswahl von Tiegeln aus Bornitrid können Industrieunternehmen ihre Prozesse verbessern, die Produktqualität verbessern und eine bessere Kontrolle über ihre Abläufe erlangen.