Bornitrid
Kristallstruktur
Struktur von Bornitrid
Allgemeines
Name Bornitrid
Verhältnisformel BN
CAS-Nummer 10043-11-5
PubChem 66227
Kurzbeschreibung

weißer, geruchloser Feststoff[1]

Eigenschaften
Molare Masse 24,83 g·mol−1
Aggregatzustand

fest

Dichte

2,25 g·cm−3 (α-BN, hexagonal)[2]
3,45 g·cm−3 (β-BN, kubisch)[2]

Schmelzpunkt

2967 °C.[3]

Löslichkeit

unlöslich in Wasser[1]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [4]
07 – Achtung

Achtung

H- und P-Sätze H: 319-335
EUH: keine EUH-Sätze
P: 261-​305+351+338 [4]
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [1]
Reizend
Reizend
(Xi)
R- und S-Sätze R: 36/37
S: 26-36
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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Bornitrid, chemische Formel BN, ist eine Bor-Stickstoff-Verbindung, die in drei Modifikationen (α, β, γ) vorkommt, von denen jedoch nur zwei – α-BN und β-BN – stabil sind. Analog zu den allotropen (und zu Bornitrid isoelektronischen) Kohlenstoffformen Graphit und Diamant lassen sich diese drei Sorten jeweils einer Kohlenstoffmodifikation zuordnen. Entsprechend ist auch Bornitrid ein Hochpolymer. β-Bornitrid wurde 1957 erstmals synthetisiert. Es ist nach dem Diamant der härteste bekannte Werkstoff.[5] Im Jahre 1969 wurde CBN (kubisch kristallines Bornitrid) von der Firma General Electric unter dem Namen „BORAZON“ auf dem Markt gebracht; der Preis überstieg damals den Goldpreis. Die kommerzielle Produktion von CBN hat sich erst seit den frühen 1990er Jahren etabliert.

Inhaltsverzeichnis

Eigenschaften

CBN ist nach Diamant das zweithärteste Material der Welt. Es besitzt eine Knoop'sche Härte von ca. 4700 N/mm², was in etwa der Hälfte der Knoop'schen Härte von Diamant entspricht. Dadurch verschleißen Werkzeuge aus CBN bei geeigneter Anwendung wesentlich langsamer als andere Schneidstoffe, wodurch die Form- und Maßgenauigkeit leichter zu erreichen sind oder sich sehr harte Werkstoffe (Stahl bis 70 HRC) prozesssicher bearbeiten lassen. Allerdings ist CBN durch die hohe Härte sehr spröde, was seine Eignung zur Zerspanung mit unterbrochenem Schnitt relativiert.

Im Vergleich zu Diamant besitzt CBN jedoch eine höhere thermische Stabilität. Ähnlich wie Diamant hat CBN eine hohe Wärmeleitfähigkeit, nämlich die fünffache Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, wodurch die Wärme z. B. beim Schleifen von der Schleifscheibe aufgenommen wird und an das Kühlmittel oder an die Umgebung abgegeben werden kann. Dadurch erwärmt sich das Werkstück weit weniger als beim Schleifen mit Korund, wodurch das Gefüge der Randzone weniger beeinflusst wird. Die relativ hohen Schleiftemperaturen greifen CBN weder bei der Bearbeitung von Eisen, Nickel noch von Kobalt chemisch an. Nachteilig daran ist jedoch, dass bei einer Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide die Zerspanung ohne den Einsatz von Kühlschmierstoffen erfolgen muss. Dies liegt daran, dass die Kühlung der Wendeschneidplatte nicht an der gesamten Oberfläche gleich ist und es somit zu hohen, thermisch induzierten Spannungen im Gefüge der Wendeschneidplatte kommt, welche zu Rissen im Gefüge führen und somit die Wendeschneidplatte zerstören.

Durch das gute thermische Verhalten von CBN (im Vergleich zu Diamant, welcher schon bei ca. 700 °C einen massiven Härteverlust erleidet) bleibt die Härte von CBN noch bei mehr als 1000 °C fast unverändert. Durch diese günstige Eigenschaft kann Diamant unter Hitzeeinwirkung mit CBN geschliffen werden. Unter Normalbedingungen weist Bornitrid eine Härte von ca. 48 GPa auf (Diamant zwischen 70 und 100 GPa).

Kristallstrukturen

α-Bornitrid lässt sich strukturell mit Graphit vergleichen. Es besteht ebenfalls aus Schichten einer planaren, hexagonalen Wabenstruktur, bei der die B- und N-Atome jeweils abwechselnd vorkommen. Im Gegensatz zum Graphit sind die Hexagone der einzelnen Schichten in Deckung angeordnet, so dass unterhalb und oberhalb eines jeden B-Atoms je ein N-Atom zu finden ist (und umgekehrt). Die physikalischen Eigenschaften von α-BN und Graphit sind sich sehr ähnlich. Ihre Dichten sind praktisch identisch und beide haben einen sehr hohen Schmelzpunkt. Zudem fühlen sie sich auf der Haut beim Zerreiben talkähnlich an. Hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit gibt es dennoch einen Unterschied. α-BN leitet erst bei sehr hohen Temperaturen den Strom. Vorher befinden sich die pπ-pπ-Rückbindungselektronen aufgrund der EN-Differenz vorzugsweise beim Stickstoff. Die π-Elektronen sind somit nicht freibeweglich und eine Stromübertragung ist nicht möglich.

Das kubische β-Bornitrid, auch CBN (engl. Cubic Boron Nitride), liegt in der kubischen Diamantstruktur vor. Die γ-Form hingegen entspricht der hexagonalen Diamantstruktur. Sie ist jedoch bezüglich der β-Form metastabil. Die um über 50 % erhöhte Dichte der diamantanalogen Formen des Bornitrids lässt sich im Vergleich zur graphitanalogen α-Form dadurch erklären, dass sich der Schichtabstand um ca. 30 % verringert.

Boron-nitride-(hexagonal)-side-3D-balls.png
Boron-nitride-(sphalerite)-3D-balls.png
Boron-nitride-(wurtzite)-3D-balls.png
α-BN, hexagonal
β-BN, kubische Struktur
BN, Hexagonales Kristallsystem bzw. Wurtzit-Struktur

Herstellung

Zur Herstellung von hexagonalem α-Bornitrid kann Boroxid B2O3 mit elementarem Stickstoff N2 umgesetzt werden. Diese Reaktion wird bei hohen Temperaturen unter Katalyse von Calciumphosphat Ca3(PO4)2 durchgeführt. Anstelle von Stickstoff kann auch Ammoniak NH3 oder eine Ammoniumverbindung eingesetzt werden. Dabei entsteht die (farblose) α-Modifikation.

Analog zu Diamant aus Graphit lässt sich β-Bornitrid (CBN) unter hohen Temperaturen (1500–2200 °C) und hohem Druck (50–90 kbar) aus α-BN herstellen. Als Katalysator kann man hierbei Lithiumnitrid (Li3N) verwenden. Bei niedrigeren Temperaturen entsteht aus α-BN anstelle der β-Form die γ-Form, welche jedoch bezüglich β-BN metastabil ist.

Technische Verwendung

Wendeschneidplatte: Hartmetallgrundkörper mit aufgesinterten Schneidenecken aus polykristallinem kubischem Bornitrid.

Technisch bedeutend ist β-Bornitrid (CBN) vor allem als Schleifmittel und als Schneidstoff für Wendeschneidplatten zur Bearbeitung von Stahl, da es – im Gegensatz zum Diamanten – unter Temperatureinwirkung keinen Kohlenstoff an Stahl abgeben kann. Aus demselben Grund wird es auch zur Oberflächenbeschichtung eingesetzt.

Die graphitähnliche hexagonale Modifikation (α-Bornitrid) wird als Schmiermittel eingesetzt („anorganischer“ oder „weißer Graphit“). Im Gegensatz zu Graphit bleibt der Reibungskoeffizient von hexagonalem Bornitrid bis über 1000 °C stabil, weshalb es als Hochtemperaturfestschmierstoff unter Vakuum sehr gut geeignet ist. Bei hoher Temperatur (1400–1800 °C) und hohem Druck (> 6 GPa) wandelt sich die hexagonale in die kubische Modifikation um, analog zur Umwandlung von Graphit in Diamant. Beide Bornitrid-Modifikationen sind weiß und leiten bei niedrigen und moderaten Temperaturen keinen Strom.

Obwohl hexagonales Bornitrid schon 1940 in Kosmetika verwendet wurde, setzte es sich erst in den 1990er Jahren, nachdem die Herstellungskosten stark gefallen waren, durch. Die hohe Deckkraft und die zum Auftragen vorteilhafte graphitähnliche Beschaffenheit sind die entscheidenden Eigenschaften für die Verwendung in Make-up.[6]

Verwendung als Schleifmittel

CBN-Scheiben werden eingesetzt zum Schleifen von:

  • gehärteten Schnellarbeitsstählen (HSS)
  • hochlegierten Werkzeugstählen mit min. 55 HRC
  • einsatzgehärteten Stählen
  • Pulverbeschichtungen auf Eisenbasis
  • Hartguss
  • Weichen Stahlqualitäten in bestimmten Anwendungsfällen
  • Stellite
  • Nickelbasierten Superlegierungen

Schleifgeschwindigkeit

Die optimale Schnittgeschwindigkeit hängt von verschiedenen Faktoren ab:

  • Schleifart (Rund-, Flach-, Pendel-, Tiefschleifen u. a.)
  • Kühlung (Öl, Trockenschliff)
  • Maschine (Stabilität, Spindeldrehzahl)

Man kann mit CBN unter optimalen Bedingungen beim Hochgeschwindigkeitsschleifen statt der normalen 30–60 m/s beim Nassschliff, bzw. den 15–20 m/s mit weit höheren Geschwindigkeiten arbeiten. Dafür müssen jedoch die Maschinen entsprechend stabil ausgelegt sein, die Ölkühlung mit den richtigen Düsen und genügend Druck ausgeführt sein.

Kühlen

Beim Schleifen mit CBN wird ausschließlich mit reinem Schleiföl gekühlt. Durch das Öl und dessen Schmierwirkung wird die Wärmeentstehung vermieden. Zugleich wird der Energieaufwand deutlich reduziert. Die Standzeit wird dabei im Vergleich mit anderen Kühlmedien um das 3-fache erhöht.

Man unterscheidet jedoch Scheiben, die speziell für den Nassschliff ausgelegt sind und dann im Trockenschliff nur mit reduzierter Drehzahl und Zustellung nur im Ausnahmezustand eingesetzt werden sollten. Scheiben, die für den Trockenschliff ausgelegt sind, können auch im Nassschliff eingesetzt werden; im Trockenschliff sollte jedoch mit geringeren Anpressdrücken und Zustellungen gearbeitet werden.

Bindungen

Die Körner werden beim CBN-Schleifen mit einer dünnen Metallschicht aus Nickel oder Kupfer ummantelt. Dadurch wird das Korn optimal in der Bindung gehalten und die entstehende Schleifwärme in die Bindung geführt. Man unterscheidet verschiedene Bindungsarten nach dem Bindungsmaterial.

Kunstharzbindungen

Über 50 % aller Schleifaufgaben lassen sich mit Kunstharzbindungen bewerkstelligen, da viele Bindungsvarianten und hohe Abtragsleistungen möglich sind. Außerdem hat die Scheibe dadurch eine große Griffigkeit und verursacht geringe Schleifdrücke und geringe Temperaturen. Sie eignen sich sowohl zum Trocken- als auch zum Nassschleifen.

Körpermaterial:

  • Aluminium
  • Aluminium-Kunstharz
  • Graphit-Kunstharz
  • Auch wird bei manchen Herstellern Keramik als Grundkörpermaterial verwendet, falls es sich um sehr feinkörnige (< B25 = 30–20 µm) Scheiben handelt.

Metallbindungen

Metallbindungen haben sehr große Kornhaltekräfte und werden deshalb hauptsächlich im Nassschliff eingesetzt. Sie werden wegen ihrer hohen Verschleißfestigkeit insbesondere für Profilscheiben eingesetzt, bei hoher Profilhaltigkeit. Sie sind jedoch in Sachen Zerspanungsleistung Kunststoffbindungen unterlegen.

Körpermaterial:

  • Stahl
  • Bronze

Galvanische Bindungen

Es wird meist nur die Kornlage gehalten, wobei die Körner in einer Nickel-Bindung eingebettet sind und ca. 30–50 % aus der Bindung hervorragen. Dadurch entsteht eine sehr hohe Griffigkeit mit sehr hoher Schleifleistung. Die Gesamtstandzeit ist jedoch sehr kurz, da sie endet, wenn die Belaghöhe abgenutzt ist.

Körpermaterial:

  • Stahl
  • Aluminium (Das Aluminium-Grundkörpermaterial wird vor der Beschichtung mit CBN zuerst verkupfert, weil Nickel an Aluminium nur schlecht oder nicht haftet)

Keramische Bindungen

Die poröse und profilierbare Bindung eignet sich für langspanende Werkstoffe. Es entstehen geringe Schleifkräfte, hohe Oberflächengüte, hohe Zerspanungsleistung und Abrichtmöglichkeit.

Körpermaterial:

  • Stahl
  • Aluminium
  • Keramik (s.g. "Verbundscheiben")

Wichtig für die Auswahl der Bindung ist, dass die Körnung, solange sie noch Schneiden besitzt, in der Bindung gehalten wird. Sind die Körner jedoch stumpf, müssen sie aus der Bindung ausbrechen. Ist die Kornhaltekraft zu groß, erhöht sich der Schleifdruck und die Temperatur: die Scheibe setzt sich zu, verschmiert und verliert ihre Abtragsleistung.

Richtlinien

Maschinen

Die Maschinen, die zum CBN-Schleifen verwendet werden, sollten äußerst stabil gebaut sein, einwandfrei laufende Schleifspindeln und Scheibenaufnahmen besitzen. Die Führungen müssen spielfrei arbeiten, der Tisch muss ruckfrei verfahren und die gesamte Maschine muss erschütterungsfrei aufgestellt sein. Außerdem muss die Motorleistung so bemessen sein, dass auch höhere Schnittgeschwindigkeiten gefahren werden können und dass bei größeren Zustellungen kein wesentlicher Drehzahlabfall auftritt.

Scheiben

Scheiben müssen möglichst genau geschliffen werden, damit sie gleichmäßig abnutzen. Eine Möglichkeit bei großen Scheiben ist das Zusenden von Flansch und passendem Schleif- oder Wuchtdorn an die Hersteller, damit die Scheibe mit ihnen überschliffen werden kann und so die Rundlaufabweichung möglichst gering ist. Die Scheibe muss dann bis zu ihrem völligen Verschleiß auf der Aufnahme bleiben, um mögliche Rundlauffehler zu vermeiden.

Polykristallines kubisches Bornitrid

Polykristallines kubisches Bornitrid (PKB / engl. PCBN) ist ein synthetisch hergestellter Verbundwerkstoff aus kubischem Bornitrid (cBN) mit keramischer Binderphase. Zur Herstellung von PCBN werden cBN-Mikrokörnungen aus hexagonalem Bornitrid bei hohen Temperaturen und Drücken synthetisiert. Diese cBN-Partikel werden anschließend sortiert und charakterisiert, bevor sie einen zweiten Syntheseprozess durchlaufen, der unter Zugabe eines keramischen Bindermaterials durchgeführt wird. PCBN ist in unterschiedlichen PCBN/Binder-Verhältnissen und Formaten verfügbar. Als Schneidstoff wird PKB nach ISO BN genannt, doch sind auch die Bezeichnungen CBN oder PCBN häufig anzutreffen.

Verwendung

Polykristallines kubisches Bornitrid wird weit verbreitet eingesetzt bei der Bearbeitung einer großen Vielfalt harter und/oder abrasiver FE-Werkstückmaterialien. PCBN ist bis zu hohen Temperaturen chemisch inert und reagiert, anders als PKD, nicht mit dem Eisen in eisenhaltigen Materialien. Typische Teile, die mit PCBN bearbeitet werden, sind z. B. Bremsscheiben, Motorblöcke, Zylinderlaufbüchsen, Bremstrommeln, Schwungräder, Ventilsitze und -führungen, Maschinenteile, Getriebe, Press- und Prägeteile usw.

Typische Werkstückmaterialien sind:

Pyrolytisches Bornitrid

Gesinterter Schmelztiegel aus Bornitrid

Dem β-Bornitrid sehr verwandt ist das pyrolytische Bornitrid, das mit pBN oder PBN abgekürzt wird. Wegen der geringen Ausgasung auch bei hohen Temperaturen werden Tiegel aus pBN als Effusionszellen in der Molekularstrahlepitaxie eingesetzt.

Einzelnachweise

  1. a b c Datenblatt Bornitrid bei AlfaAesar, abgerufen am 2. Februar 2010 (JavaScript erforderlich)..
  2. a b Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
  3. David R. Lide: CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. Taylor & Francis, 2009, ISBN 978-1-4200-9084-0.
  4. a b Datenblatt Bornitrid bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 14. März 2011.
  5. Borazon-CNB.
  6. Martin Engler, Christoph Lesniak, Ralf Damasch, Bernd Ruisinger, Jens Eichler: Hexagonal Boron Nitride (hBN) - Applications from Metallurgy to Cosmetics. In: Ceramic forum international, Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft. 84, 2007, ISSN 0173-9913, S. E49–E53 (PDF).

Weblinks

 Commons: Boron nitride – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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