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碳化硼在磨介材料中应用


一、碳化硼简介

碳化硼(Boron Carbide),别名黑钻石,分子式为B4C,通常为灰黑色。莫氏硬度为9.3,是已知最坚硬的材料之一(金刚石/莫氏硬度10、立方氮化硼/莫氏硬度9.7、碳化硅/莫氏硬度9.5、氮化硅/莫氏硬度9.2、氧化铝/莫氏硬度9.0),而且具有稳定的物理性能和化学性能、无磁性、耐高低温和耐强酸强碱、高强度低密度、高熔点、抗氧化性,所以在磨料中得到广泛的应用(图1)。

二、碳化硼在磨介材料中应用

2.1 研磨蓝宝石材料

LED产业的发展,给生产和加工蓝宝石晶体的企业带来了巨大商机,但因蓝宝石晶体硬度(莫氏硬度为9)较大,所以给加工带来了很大困难。加工和研磨蓝宝石晶体通常会用到金刚石,B4C和二氧化硅三种粉体(如表1)

1为三种磨介质对蓝宝石晶体的研磨性能对比

磨料

性能

研磨的影响

金刚石

莫氏硬度为10/过大

易划伤晶片,透光度差

碳化硼

莫氏硬度为9.3/刚好

透光性好,研磨效率高

二氧化硅

莫氏硬度为7/不够

既费时又费力

根据表1的对比,B4C从物理性能上优于其他两种磨料,并且B4C的价格远低于金刚石,所以B4C成为了加工和研磨蓝宝石晶体的最佳材料。目前市场专门用于加工LED的B4C粉(简称LED专用粉)是由B4C的优质块材料加工而成,一般加工粒径的细度在2.5-90μm范围,各个粒度精确分级,其在蓝宝石晶片的双面研磨和蓝宝石基LED外延片减薄抛光方面有着卓越的表现(图2)。

图2 经B4C加工的蓝宝石及各种透明窗口

2.2 在砂轮,磨膏等磨具中的应用

由于B4C的优异的硬度和耐磨性,现在也大量应用于各种磨具中(图3)。并且具有下列优势:

1、磨削效率高;

2、具有很高的耐磨性(砂轮的耐磨性高,磨粒消耗少,特别是在磨很硬又很脆的工件时更明显);

3、磨削力小,磨削温度低;

4、磨削的工件精度高、表面质量好,工件的形状保持性好。

2.3 耐磨焊条

在焊条的药皮中添加大剂量的B4C材料和少量的钨、钒、铌、稀土合金元素及多种合金元素添加剂,既可以提高焊接工艺性能,药皮重量系数为50~100%,同时堆焊时可不除锈,不预热,交、直流焊机均可使用。堆焊层的硬度可达HRC65~70,耐磨性为淬火65Mn钢的17.38倍(如图4)。

应用领域:

²  适用于受中等冲击以下的强磨粒磨损机械零件表面强化堆焊;

²  适用于刮板输送机中部槽、水轮机叶片、高炉料钟、螺旋送料机叶片、钻杆、挤砖机绞龙、挖掘机斗齿、焦化厂推焦板上的堆焊。

 

2.4 水刀的磨料

在针对要切割金属及较硬的材质如各种石材、玻璃、陶瓷、磁砖等材质时,将B4C磨料与水射流混流以增强其切割能力(图5),提高其切割的速度和切割面的质量。

三、苏州纳朴材料开发的B4C研磨介质

苏州纳朴材料科技有限公司是专业从事高性能特种陶瓷粉体及下游衍生制品的研发、生产与销售的高科技型企业。公司根据客户需求研发了不同粒径的B4C磨介(图6),并申请了独家专利,其磨损性能如表2所示。从表2可以看出B4C磨介在混料12小时后,B4C损失量的累积量保持不变,说明12小时后B4C不再有磨损。

不同粒径B4C磨介质随球磨时间损失量(水为溶剂)

球磨时间

不同粒径B4C损失量Δwt%

小于10

1020

大于20

12h

0.20%

0.21%

2.14%

24h

0.20%

0.21%

2.30%

36h

0.20%

0.21%

2.38%

用于SiC粉体的混料实验损失量(水为溶剂)

球磨时间

不同粒径B4C损失量Δwt%

小于10

10目~20

大于20

24h

0.021%

0.027%

≤0.21%

备注:SiC粉体粒径D50=0.5um,固含量45wt%,球料比1:1

表3为以B4C磨介研磨SiC亚微米粉的磨耗测试结果。从表中结果可以看到,以B4C磨介研磨SiC亚微米粉,研磨24h后,B4C磨介的损失量基本可以忽略不计,性能表现优异。B4C磨介适用于各种非氧化物陶瓷粉体,特别是以B和C为烧结助剂的陶瓷材料的研磨加工,也适用于多种材料的研磨和抛光,欢迎各行各业朋友、专家来电垂询和指导。

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