Boro nitrido milteliai: baltasis grafitas, įrodęs savo vertę dirbant tikrai aukštoje temperatūroje

Po daugiau nei dvidešimties metų, per kuriuos rinkdavausi tepalus ir funkcinius miltelius, skirtus metalo formavimui, keramikai ir elektronikai, borono nitrido miltelius ėmiau laikyti viena iš tų medžiagų, kurios, kai jas iš tikrųjų pradedi naudoti, tyliai pranoksta lūkesčius. Žmonės dažnai jį vadina “baltuoju grafitu”, nes jo šešiakampė kristalinė struktūra popieriuje atrodo panaši, tačiau praktikoje jis elgiasi visiškai kitaip – ir dažniausiai geriau – kai pakyla temperatūra arba kai anglies priemaišos yra nepriimtinos. Aš atlikau bandymus, stebėjau, kaip gamybos linijos pereina prie jo naudojimo, ir pastebėjau skirtumą štampų tarnavimo laiko, paviršiaus kokybės ir proceso stabilumo atžvilgiu. Tai ne visada pigiausias variantas, tačiau tinkamose vietose jis atsipirks.

Šešiakampis boro nitridas (h-BN) gaunamas, kai boro oksidas arba borono rūgštis reaguoja su amoniaku arba azotu esant temperatūrai, viršijančiai 1400 °C. Gautas milteliai yra balti, minkšti ir plokštelių formos, o jų sluoksniai lengvai slysta vienas ant kito. Dėl šios sluoksninės struktūros medžiaga pasižymi puikiomis tepimo savybėmis, tačiau, skirtingai nuo grafito, ji išlieka stabili ore iki maždaug 1000 °C, o inertinėje aplinkoje – gerokai virš 1400 °C. Be to, tai yra elektros izoliatorius, turintis keramikai būdingą pakankamą šilumos laidumą – apie 20–30 W/m·K plokštelių plokštumoje. Dėl šių savybių jis yra naudingas ten, kur grafitas oksiduotųsi, įneštų anglies arba sukeltų elektros problemų.

Karštojo kalimo ir ekstruzijos procesuose boro nitrido milteliai tapo vienu iš mano mėgstamiausių atskyrimo agentų. Grafitas puikiai veikia vidutinėse temperatūrose, tačiau viršijus 700–800 °C jis pradeda degti ir gali palikti nuosėdų, kurios pablogina paviršiaus apdailą. Viename aliuminio ekstruzijos bandyme, kuriame dalyvavau, lygindome standartinę grafito ir vandens dispersiją su 15 % h-BN dispersija, naudodami tuos pačius 6061 lydinio ruošinius. Išpresavus 4 000 ruošinių, grafitu padengtos formos turėjo matomų nusidėvėjimo griovelių ir jas reikėjo poliruoti, o h-BN padengtos formos vis dar turėjo lygų paviršių ir pagamintos detalės pasižymėjo mažesniu paviršiaus šiurkštumu (Ra 0,8 µm, palyginti su 1,6 µm). Be to, h-BN vidutiniškai maždaug 12 % sumažino ekstruzijai reikalingą jėgą, o tai leido sumažinti presavimo energijos sąnaudas ir sutrumpinti prastovas, reikalingas formų keitimui.

Panašų teigiamą poveikį pastebėjome ir karšto nerūdijančio plieno kalimo procese 950 °C temperatūroje. Atlikus 200 detalių lyginamąjį bandymą paaiškėjo, kad h-BN alyva suteptų štampų nusidėvėjimo gylis, išmatuotas profilometru po gamybos ciklo, buvo 28 % mažesnis. Detalės taip pat buvo švaresnės – be tamsių grafito dėmių, dėl kurių kartais tenka imtis papildomų valymo veiksmų. Trūkumas buvo kaina: h-BN dispersija litrui kainavo apie 2,5 karto brangiau, tačiau ilgesnis štampų tarnavimo laikas ir sumažėjęs perdarymo poreikis šioje konkrečioje užduotyje tai su kaupu kompensavo.

Keramikos ir ugniai atsparių medžiagų gamyboje boro nitrido milteliai dažnai naudojami kaip sukepinimo priedas arba kaip aukštos temperatūros tepalas krosnių įrangai. Aš jį naudoju silicio nitrido ir aliuminio oksido kompozituose, kur po sukepinimo reikėjo užtikrinti geresnį apdirbamumą. Įmaišius 3–5 % smulkių h-BN dalelių (vidutinis dalelių dydis 5–10 µm), pagerėjo išdegtų detalių šlifavimo lengvumas, beveik neprarandant stiprumo. Vieno vidinio palyginimo metu nustatyta, kad partijos, kurių sudėtyje buvo h-BN, šlifavimui deimantiniu disku reikėjo 18 % mažiau laiko, palyginti su kontroline partija, o kraštų skilinėjimas pastebimai sumažėjo.

Šilumos valdymas yra dar viena sritis, kurioje ši medžiaga aiškiai parodo savo pranašumus. Elektronikos pramonėje h-BN naudojamas kaip užpildas šiluminiuose sąsajos medžiagose ir hermetizavimo mišiniuose, nes jis perduoda šilumą, tuo pačiu išlieka elektros izoliatorius. Paprastame laboratoriniame palyginime, kurį atlikome prieš kelerius metus, silikoninė alyva, užpildyta 30 % aliuminio oksidu, pasiekė apie 1,1 W/m·K. Ta pati bazė, užpildyta 30 % % h-BN (stambesnių plokštelių rūšies), identiškomis bandymo sąlygomis, naudojant apsaugotą šilumos srauto matuoklį, pasiekė 2,4 W/m·K. Be to, h-BN versija žemose temperatūrose išliko minkštesnė, o tai sumažino kontaktinę varžą ant nelygių paviršių.

Žinoma, boro nitridas nėra stebuklinga medžiaga. Jis kainuoja brangiau nei grafitas ar talkas, o labai smulkios jo rūšys gali dulkėti, todėl dirbant su jomis būtina užtikrinti gerą vėdinimą. Kai kuriose metalo formavimo srityse, kur reikalingas ypatingai didelis slėgis, molibdeno disulfidas arba specializuoti sintetiniai tepalai vis dar gali pranokti jį vien tik trinties koeficiento atžvilgiu. Dalelių dydis ir grynumas yra labai svarbūs – stambesnės rūšys užtikrina geresnį atsiskyrimą, bet prastesnę dispersiją, o aukšto grynumo rūšys yra būtinos elektronikos ar kosmetikos pramonėje.

Iš patirties žinau, kad geriausi rezultatai pasiekiami, kai medžiagos rūšis parenkama atsižvelgiant į konkrečią užduotį. Karšto metalo formavimui paprastai nurodau 10–20 µm dydžio plokšteles, pasižyminčias geru tekamumu. Terminiams užpildams ar kosmetikos gaminiams geriau tinka mažesnės nei 10 µm ar net mažesnės nei mikrono dydžio rūšys su kontroliuojamu paviršiaus plotu. Visada atlikite tinkamus bandymus su savo tikrąja įranga ir medžiagomis, o ne pasikliaukite bendro pobūdžio techninių duomenų lapais. Tais atvejais, kai taip darėme, boro nitrido milteliai ne kartą užtikrino matomą įrankių tarnavimo laiko, energijos suvartojimo ar produkto kokybės pagerėjimą, kuris pateisino didesnes medžiagų sąnaudas.

Jis niekada nepakeis visų kitų tepalų ar užpildų, tačiau kai procese reikalinga aukšta temperatūra, švarumas arba elektrinė izoliacija kartu su šiluminėmis savybėmis, boro nitrido milteliai užsitarnavo nuolatinę vietą mano įrankių rinkinyje. Svarbiausia, kaip ir bet kurios specialiosios medžiagos atveju, yra suprasti, kaip ji iš tikrųjų veikia jūsų konkrečiomis sąlygomis, tinkamai ją išbandyti ir naudoti ten, kur našumo padidėjimas yra realus, o ne tik numanomas.