Dlaczego i kiedy stosować tygiel z azotku boru?

Wstęp

Tygle mają kluczowe znaczenie w różnych gałęziach przemysłu, a wybór materiału na tygiel znacząco wpływa na jakość i wydajność procesu. Tygle z azotku boru (BN) przyciągają uwagę ze względu na swoje unikalne właściwości. W tym artykule porównano tygle z azotku boru z innymi popularnymi materiałami na tygle, podkreślając zalety BN.

Obojętność chemiczna:

Tygle BN są wysoce obojętne chemicznie i odporne na reakcje ze stopionymi metalami i substancjami żrącymi. Minimalizuje to zanieczyszczenie i chroni integralność materiału.

Brak zwilżania stopionych metali:

Tygle z azotku boru mają niską zwilżalność stopionych metali, co zapobiega przyleganiu i umożliwia łatwe usuwanie materiału. Ta właściwość jest korzystna w procesach wykorzystujących materiały reaktywne i lepkie, zmniejszając problemy z przyczepnością.

Odporność na szok termiczny:

Tygle BN charakteryzują się doskonałą odpornością na szok termiczny i wytrzymują szybkie wahania temperatury bez pękania i deformacji. Zwiększa to trwałość i niezawodność tygla, szczególnie w zastosowaniach wymagających wymagających cykli termicznych, w przeciwieństwie do tygli kwarcowych i tlenku glinu.

Izolacja elektryczna:

Tygle z azotku boru wykazują silne właściwości izolacji elektrycznej, dzięki czemu nadają się do procesów wymagających oporu elektrycznego lub izolacji. Ta cecha jest cenna w zastosowaniach takich jak topienie indukcyjne, gdzie należy kontrolować prąd elektryczny, w przeciwieństwie do tygli grafitowych, które przewodzą.

Porównaj z tyglami metalowymi

W porównaniu do tygli metalowych, tygle z azotku boru mają kilka zalet. Wyroby metalowe oferują wszechstronność w zakresie metod obróbki, pozwalając na tworzenie różnorodnych kształtów, a nawet tygli o dużych gabarytach poprzez spawanie. Metale są jednak podatne na reakcje chemiczne w wysokich temperaturach, a ich wytrzymałość znacznie maleje w takich warunkach. Preferowane są metale ogniotrwałe, takie jak molibden, wolfram i tantal, ze względu na ich tolerancję na wysoką temperaturę. Jednak im większa jest tolerancja temperaturowa metalu, tym trudniejsze staje się jego kształtowanie i produkcja. Na przykład wolfram i tantal są zasobami rzadkimi, a energochłonne procesy produkcyjne ich tygli utrudniają redukcję kosztów. Tygle metalowe mogą wprowadzać zanieczyszczenia do topionych materiałów ze względu na ich podobny skład. Ponadto tygle metalowe mają słabą zwilżalność stopionego metalu w porównaniu z materiałami ceramicznymi. W rezultacie tygle ceramiczne, takie jak tygle z azotku boru, oferują znaczne korzyści w określonych zastosowaniach.

Tygle tantalowe

W porównaniu z grafitem

Grafit jest krystaliczną formą węgla, charakteryzującą się kolorem od ciemnej czerni do głębokiej szarości. Grafit ma miękką teksturę, gładką powierzchnię, przewodność i obojętność chemiczną. Dlatego jest powszechnie stosowany do produkcji tygli. Jednakże tygle grafitowe ulegają znacznej korozji podczas procesów wytapiania i odlewania, co skraca ich żywotność. Co więcej, ze względu na przewodność grafitu, w piecach indukcyjnych prądy indukowane podgrzewają tygiel grafitowy, a nie znajdujący się w nim materiał. Ta właściwość może być korzystna w niektórych przypadkach, ale nie jest odpowiednia dla wszystkich materiałów. Dodatkowo pierwiastek węglowy w graficie może stapiać się z wieloma metalami, wprowadzając niepożądane zanieczyszczenia. Natomiast azotek boru minimalizuje możliwość zanieczyszczeń w roztopionym metalu. Wczesne preparaty azotku boru zawierały dodatki takie jak CaO jako spoiwa ułatwiające spiekanie, co mogło stanowić zanieczyszczenie topiącego się materiału. W miarę ciągłego postępu w technikach produkcyjnych producenci zmniejszyli zapotrzebowanie na spoiwa w materiałach z azotku boru. Na przykład azotek boru BN99 z QS Advanced Materials zawiera tylko około 0,3% CaO, podczas gdy ceramika z azotku boru TPBN o wyższej czystości ma ogólny poziom zanieczyszczeń poniżej 0,1%.Zarówno grafit, jak i azotek boru zapewniają dobrą przetwarzalność, umożliwiając obróbkę CNC w różnych kształtach. Dlatego też, jeśli grafit może wytwarzać złożone kształty, które stanowią wyzwanie dla innej ceramiki, azotek boru może osiągnąć to samo.

W porównaniu z ceramiką tlenkową

Najpopularniejszymi materiałami na tygle ceramiczne tlenkowe są tlenek glinu i kwarc. Tygle ceramiczne tlenkowe nie wymagają osłony powietrznej w procesie produkcyjnym, co skutkuje stosunkowo niskimi kosztami produkcji, co powoduje, że są szeroko stosowane. Ceramika tlenkowa jest jednak krucha i twarda, co utrudnia jej obróbkę konwencjonalnymi metodami, a precyzja kształtu wynikająca z bezpośredniego spiekania jest słaba, co utrudnia tworzenie tygli o precyzyjnie ukształtowanych kształtach. Co więcej, ceramika tlenkowa ma znacznie wyższe współczynniki rozszerzalności cieplnej w porównaniu z azotkiem boru, a tygle ceramiczne z tlenku o dużej gęstości mają słabą odporność na szok termiczny. Z drugiej strony, w przypadku tlenków, obecność tlenu w niektórych specyficznych zastosowaniach jest niedopuszczalna, co powoduje konieczność stosowania materiałów alternatywnych.

Oprócz ceramiki tlenkowej powszechnie stosowanymi materiałami ceramicznymi odpornymi na wysokie temperatury są ceramika węglikowa. Podobnie jak ceramika tlenkowa, są to materiały bardzo twarde i podlegają ograniczonym metodom przetwarzania po spiekaniu, takim jak wiercenie i szlifowanie. Stosunkowo niedrogą metodą otrzymywania ceramiki węglikowej jest spiekanie reaktywne, ale metoda ta często skutkuje powstaniem znacznej ilości wolnego węgla, co nie jest pożądane w przypadku tygli. Z drugiej strony koszt produkcji ceramiki węglikowej o wysokiej czystości jest znacznie wysoki, co często utrudnia jej powszechne zastosowanie.

W porównaniu z innymi ceramikami azotkowymi

Porównując tygle z azotku boru z innymi tyglami ceramicznymi z azotku, zauważalne są różnice. Azotek krzemu jest obok azotku boru najpowszechniejszym przedstawicielem ceramiki azotkowej. Ma podobne właściwości do ceramiki węglikowej, jest twardy, ma dużą wytrzymałość i jest trudny w obróbce. Dostosowanie nowego rozmiaru często zajmuje ponad miesiąc, a produkty z azotku krzemu o wysokiej czystości są kosztowne. Dlatego też, o ile nie są to szczególne przypadki, nie zaleca się stosowania azotku krzemu jako materiału na tygiel. To samo dotyczy azotku glinu (który jest generalnie droższy niż azotek krzemu). Natomiast zalety tygli z azotku boru są bardziej widoczne. Chemicznie przypomina inną ceramikę azotkową, jest jednak bardziej miękka i po spiekaniu można ją przetwarzać w różne kształty. Dzięki temu producenci muszą jedynie utrzymywać zapasy półfabrykatów ze spiekanego azotku boru i szybko przetwarzać je w produkty o różnych kształtach dla klientów.Zmiana metod obsadzania znacznie zmniejsza koszty całkowite w porównaniu z innymi ceramikami azotkowymi. W rezultacie azotek boru stał się najszerzej stosowanym materiałem ceramicznym azotkowym.

Wniosek

Podsumowując, tygle z azotku boru zapewniają szereg zalet, które odróżniają je od innych materiałów na tygle. Ich stabilność w wysokich temperaturach, obojętność chemiczna, właściwości niezwilżające, odporność na szok termiczny i izolacja elektryczna sprawiają, że są preferowanym wyborem w wielu gałęziach przemysłu. Chociaż materiały takie jak grafit, tlenek glinu, kwarc i tlenek cyrkonu mają swoje własne zastosowania, tygle z azotku boru doskonale sprawdzają się w wymagających procesach wymagających ekstremalnych temperatur, odporności na reakcje chemiczne, minimalnej przyczepności, odporności na szok termiczny i izolacji elektrycznej.

W miarę ciągłego rozwoju technologii oczekuje się, że zapotrzebowanie na tygle z azotku boru będzie rosło, napędzane ich doskonałą wydajnością i niezawodnością. Unikalne właściwości azotku boru sprawiają, że jest to optymalny wybór do zastosowań w materiałoznawstwie, metalurgii i procesach chemicznych, gdzie najważniejsza jest precyzja, czystość i wydajność. Wybierając tygle z azotku boru, przemysł może ulepszyć swoje procesy, poprawić jakość produktów i uzyskać większą kontrolę nad swoimi operacjami.