Зачем и когда использовать тигель из нитрида бора?

Введение

Тигли имеют решающее значение в различных отраслях промышленности, и выбор материала тигля существенно влияет на качество и эффективность процесса. Тигли из нитрида бора (BN) привлекли внимание своими уникальными свойствами. В этой статье тигли из нитрида бора сравниваются с другими распространенными тигельными материалами, подчеркивая преимущества BN.

Химическая инертность:

Тигли BN обладают высокой химической инертностью и устойчивы к реакциям с расплавленными металлами и агрессивными веществами. Это сводит к минимуму загрязнение и сохраняет целостность материала.

Несмачивание расплавленных металлов:

Тигли из нитрида бора имеют низкую смачиваемость расплавленными металлами, что предотвращает прилипание и позволяет легко удалять материал. Это свойство полезно для процессов с использованием реактивных и липких материалов, уменьшая проблемы с адгезией.

Устойчивость к термическому удару:

Тигли BN обладают превосходной термостойкостью, выдерживают резкие колебания температуры, не растрескиваясь и не деформируясь. Это увеличивает срок службы и надежность тигля, особенно в приложениях, требующих термоциклирования, в отличие от кварцевых и глиноземных тиглей.

Электрическая изоляция:

Тигли из нитрида бора демонстрируют сильные электроизоляционные свойства, что делает их пригодными для процессов, требующих электрического сопротивления или изоляции. Эта характеристика ценна в таких приложениях, как индукционная плавка, где необходимо контролировать электрический ток, в отличие от графитовых тиглей, которые являются проводящими.

Сравнить с металлическими тиглями

По сравнению с металлическими тиглями тигли из нитрида бора имеют ряд преимуществ. Металлические изделия отличаются универсальностью с точки зрения методов обработки, позволяя создавать с помощью сварки тигли различных форм и даже больших размеров. Однако металлы склонны к химическим реакциям при высоких температурах, и их прочность в таких условиях значительно снижается. Тугоплавкие металлы, такие как молибден, вольфрам и тантал, являются предпочтительными из-за их устойчивости к высоким температурам. Тем не менее, чем выше температурная устойчивость металла, тем сложнее становится его обработка и производство. Например, вольфрам и тантал являются дефицитными ресурсами, а энергоемкие процессы производства их тиглей затрудняют снижение затрат. Эти металлические тигли могут вносить примеси в плавимые материалы из-за их схожего состава. Кроме того, металлические тигли имеют плохую смачиваемость расплавленным металлом по сравнению с керамическими материалами. Следовательно, керамические тигли, такие как тигли из нитрида бора, предлагают значительные преимущества в конкретных применениях.

Танталовые тигли

По сравнению с графитом

Графит – это кристаллическая форма углерода, характеризующаяся цветом от темно-черного до темно-серого. Графит имеет мягкую текстуру, гладкую поверхность, проводимость и химическую инертность. Поэтому его обычно используют для производства тиглей. Однако графитовые тигли подвергаются значительной коррозии во время процессов плавки и литья, что сокращает срок их службы. Более того, из-за проводимости графита в индукционных печах наведенные токи нагревают графитовый тигель, а не материал внутри него. Это свойство может быть выгодным в некоторых случаях, но подходит не для всех материалов. Кроме того, углеродный элемент в графите может сплавляться со многими металлами, внося нежелательные примеси. Напротив, нитрид бора сводит к минимуму возможность попадания примесей в расплавленный металл. Ранние составы нитрида бора включали такие добавки, как CaO, в качестве связующих для облегчения спекания, которые могли быть примесями для плавящегося материала. По мере развития технологий производства производители сократили потребность в связующих веществах в материалах из нитрида бора. Например, нитрид бора BN99 от QS Advanced Materials содержит только около 0,3% CaO, тогда как керамика из нитрида бора более высокой чистоты TPBN имеет общий уровень примесей ниже 0,1%.Материалы как графит, так и нитрид бора обладают высокой технологичностью, что позволяет обрабатывать на станках с ЧПУ различные формы. Следовательно, если графит может создавать сложные формы, которые являются трудными для другой керамики, то нитрид бора может добиться того же.

По сравнению с оксидной керамикой

Оксид алюминия и кварц являются наиболее распространенными материалами для изготовления оксидных керамических тиглей. Тигли из оксидной керамики не требуют воздушной защиты в процессе производства, что приводит к относительно низким производственным затратам, что делает их широко используемыми. Однако оксидная керамика хрупкая и твердая, что затрудняет ее обработку обычными методами, а точность ее формы при прямом спекании недостаточна, что затрудняет создание тиглей точной формы. Кроме того, оксидная керамика имеет гораздо более высокие коэффициенты теплового расширения по сравнению с нитридом бора, а тигли из оксидной керамики высокой плотности обладают плохой термостойкостью. С другой стороны, присутствие кислорода в некоторых конкретных случаях неприемлемо, что приводит к необходимости использования альтернативных материалов.

Карбидная керамика, помимо оксидной керамики, широко используется в качестве жаростойких керамических материалов. Подобно оксидной керамике, они представляют собой очень твердые материалы и имеют ограниченные методы обработки после спекания, такие как сверление и шлифование. Относительно недорогой метод получения карбидной керамики — реактивное спекание, но этот метод часто приводит к образованию значительного количества свободного углерода, что нежелательно для тиглей. С другой стороны, себестоимость производства карбидной керамики высокой чистоты достаточно высока, что зачастую затрудняет ее широкое применение.

По сравнению с другой нитридной керамикой

При сравнении тиглей из нитрида бора с другими тиглями из нитридной керамики возникают заметные различия. Нитрид кремния – наиболее распространенный представитель нитридной керамики, наряду с нитридом бора. Он имеет схожие характеристики с карбидной керамикой: он твердый, обладает высокой прочностью и сложен в обработке. Изготовление нового размера часто занимает больше месяца, а изделия из нитрида кремния высокой чистоты стоят дорого. Поэтому, за исключением особых случаев, использование нитрида кремния в качестве материала тигля не рекомендуется. То же самое относится и к нитриду алюминия (который, как правило, дороже нитрида кремния). Напротив, преимущества тиглей из нитрида бора более очевидны. По химическому составу он похож на другую нитридную керамику, но он мягче и после спекания ему можно придавать различные формы. Это позволяет производителям иметь запас только заготовок из спеченного нитрида бора и быстро перерабатывать их в изделия различной формы для клиентов.Изменение методов хранения значительно снижает общие затраты по сравнению с другой нитридной керамикой. Следовательно, нитрид бора стал наиболее широко используемым нитридным керамическим материалом.

Заключение

Таким образом, тигли из нитрида бора обладают рядом преимуществ, которые отличают их от других тигельных материалов. Их высокотемпературная стабильность, химическая инертность, несмачивающие свойства, термостойкость и электрическая изоляция делают их предпочтительным выбором во многих отраслях промышленности. В то время как такие материалы, как графит, оксид алюминия, кварц и цирконий, имеют свои собственные области применения, тигли из нитрида бора превосходны в сложных процессах, требующих экстремальных температур, устойчивости к химическим реакциям, минимальной адгезии, устойчивости к тепловому удару и электрической изоляции.

Ожидается, что по мере развития технологий спрос на тигли из нитрида бора будет расти благодаря их превосходным характеристикам и надежности. Уникальные свойства нитрида бора делают его оптимальным выбором для применения в материаловедении, металлургии и химических процессах, где точность, чистота и эффективность имеют первостепенное значение. Выбирая тигли из нитрида бора, отрасли промышленности могут усовершенствовать свои процессы, улучшить качество продукции и добиться большего контроля над своей деятельностью.