Warum ist kubisches Bornitrid (c-BN) härter als Diamant? - Drehscheibe für Hochleistungskeramik

Die Härte ist eine entscheidende Eigenschaft von Materialien, insbesondere bei industriellen Anwendungen wie Schneiden, Schleifen und Polieren. Seit vielen Jahren gilt Diamant als das härteste bekannte Material. Es gibt jedoch ein synthetisches Material, kubisches Bornitrid (c-BN), das unter bestimmten Bedingungen Diamant in seiner Härte übertreffen kann. In diesem Artikel werden die Gründe für die überlegene Härte von c-BN in bestimmten Anwendungen, seine einzigartigen Eigenschaften und der Vergleich mit Diamant untersucht.

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Was ist kubisches Bornitrid (c-BN)?

Kubisches Bornitrid (c-BN) ist ein synthetisches Material, das aus Bor- und Stickstoffatomen besteht, die in einer dem Diamant ähnlichen Kristallstruktur angeordnet sind. Während Diamant aus Kohlenstoffatomen besteht, die in einem tetraedrischen Gitter angeordnet sind, hat c-BN eine kubisch-flächenzentrierte Struktur (FCC). Trotz seines synthetischen Ursprungs ist c-BN eines der härtesten bekannten Materialien und liegt in seinen mechanischen Eigenschaften nur knapp hinter Diamant.

Wichtige Eigenschaften von c-BN

Eigentum	Wert/Charakteristik	Vorteil gegenüber Diamant
Härte	~50 GPa (Mohs ~9.8)	Fast genauso hart, aber weniger spröde
Thermische Stabilität	Stabil bis zu 1400°C (in inerter Atmosphäre)	Diamant oxidiert über 800°C
Chemische Trägheit	Widersteht Eisen, Nickel und anderen Metallen	Diamant reagiert mit Eisenmetallen
Bandlücke	~6,4 eV (Halbleiter mit breiter Bandlücke)	Nützlich für Elektronik mit hoher Leistung

Leistungsvergleich: c-BN vs. andere Hochleistungskeramiken

Eigentum	Kubisches Bornitrid (c-BN)	Tonerde (Al₂O₃)	Siliziumkarbid (SiC)	Siliziumnitrid (Si₃N₄)	Wolframkarbid (WC)
Härte (GPa)	45-50	15-20	25-30	15-20	20-25
Bruchzähigkeit (MPa-m¹ᐟ²)	6.8-8.2	3-4	4-5	6-7	10-12
Elastizitätsmodul (GPa)	850	380	410	310	600
Druckfestigkeit (GPa)	6.5-7.5	2-3	3-4	3.5-4.5	5-6
Wärmeleitfähigkeit (W/m-K)	13-20 (⊥c), 25-30 (∥c)	30	120	30	100
Wärmeausdehnung (×10-⁶/K)	3.5-4.5	8-9	4-5	3-3.5	5-6
Max. Betriebstemp. (°C)	1400 (inert), 1000 (Luft)	1700	1600	1400	600
Dichte (g/cm³)	3.48	3.98	3.21	3.2	15.6
Chemische Beständigkeit	Ausgezeichnet (inert gegenüber geschmolzenen Metallen)	Gut (von HF angegriffen)	Ausgezeichnet (säurebeständig)	Gut (angegriffen durch geschmolzene Salze)	Schlecht (oxidiert über 500°C)

Faktoren, die zur außergewöhnlichen Härte von c-BN beitragen

1. Merkmale der Atombindung

Kurze Bindungslänge: B-N-Bindungsabstand = 1.56 Å (im Vergleich zu 1,54 Å für die C-C-Bindung von Diamant)
Hybridisierung: sp³ Bindung mit 76% kovalenter + 24% ionischer Charakter
Anleihe Energie: B-N-Bindungsstärke = 390 kJ/mol (vs. 347 kJ/mol für C-C)

2. Merkmale der Kristallstruktur

Zinkblende-Gitter: Alternierende B/N-Atome in einem tetraedrischen 3D-Netzwerk
Stapelfehler Energie: Hoch (~300 mJ/m²) verhindert Versetzungsbewegung
Anisotropie(111) ebene Härte > (100) durch ~15%

3. Thermische Stabilität

c-BN bleibt auch bei höheren Temperaturen stabil und hart, im Gegensatz zu Diamant, der bei extremer Hitze seine Härte verlieren kann.

Schlüsselanwendungen von kubischem Bornitrid (c-BN)

Industrie	Spezifische Anwendungen	Technische Vorteile	Leistungsdaten
Zerspanung	- Hartdrehen (>HRC 50) von Werkzeugstählen (D2, M2) - Endbearbeitung von Ni/Co-Superlegierungen	- Keine chemische Reaktion mit Metallen der Fe-Gruppe - 3× längere Standzeit als PCBN	- Schnittgeschwindigkeit: 300-800 m/min - Ra 0,1-0,3 μm
Schleifen	- Präzisionsschleifen von Lagern - Schleifmittel aus Luft- und Raumfahrtlegierungen (Ti64, In718)	- Selbstschärfende Körner - 10-fache Verschleißfestigkeit gegenüber Al₂O₃	- G-Quotient: 5,000+ - Toleranz: ±1 μm
Hochtemperatur-Werkzeuge	- Warmumformungswerkzeuge (Al/Mg-Strangpressen) - Bearbeitung von Turbinenschaufeln	- Stabil bis 1400°C - Geringe Wärmeausdehnung (4,5×10-⁶/K)	- Nutzungsdauer: 5-8× WC-Co
Elektronik	- Wärmespreizer für GaN-HEMTs - Optische Deep-UV-Fenster	- Bandlücke: 6,4 eV - Wärmeleitfähigkeit: 30 W/m-K (∥c-Achse)	- WAK-Anpassung an Si (2,6×10-⁶/K)
Beschichtungen	- Bohrer-Beschichtungen - Auskleidungen von Schmelztiegeln	- Vickers-Härte: 45 GPa - Chemisch inert gegenüber Al/Fe-Schmelzen	- Dicke der Beschichtung: 2-50 μm
Aufkommende Verwendungen	- Additive Fertigung (c-BN/Ni-Verbundwerkstoffe) - Substrate für Quantenbauelemente	- N-Typ/p-Typ-Dotierbarkeit - Strahlungshärte	- Reinheit des Nanopulvers: >99,95%

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Diamant und seine Härte

Diamant ist das härteste bekannte natürliche Material auf der Erde und erreicht einen perfekten 10 auf der Mohs-Härteskala und Ranking ~70-100 GPa auf der Vickers-Skala. Diese außergewöhnliche Härte kommt von seiner:

Tetraedrische Kristallstruktur: Jedes Kohlenstoffatom bildet 4 starke kovalente Bindungen
Kurze Bindungslänge: Nur 1,54 Å zwischen den Kohlenstoffatomen
Hohe Bindungsenergie: 347 kJ/mol pro C-C-Bindung

Was macht Diamanten so hart?

Gerichtete Härte: Am härtesten entlang oktaedrischer Ebenen (111 Kristallfläche)
3D-Netzwerk kovalente Bindung: Keine schwachen Ebenen für die Spaltung
Reine Sp³-Hybridisierung: Perfekte Symmetrie in der Bindung

Grenzen der Diamanthärte

Obwohl sie die härteste ist:

Thermische Grenzwerte: Oxidiert oben 800°C an der Luft
Chemische Reaktivität: Löst sich in geschmolzenem Eisen/Kobalt auf
Spaltungsebenen: Kann sich beim Aufprall entlang der (111)-Ebenen spalten

Industrielle Anwendungen, die die Härte von Diamant nutzen

Schneidewerkzeuge: Einsätze aus polykristallinem Diamant (PCD)
Schleifmittel: Diamantschleifscheiben (bis zu 3000er Körnung)
Bohren: Öl-/Gasbohrkronen (Matrix-Diamant)
Präzisionsbearbeitung: Einkristalline Diamant-Drehwerkzeuge

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Härtevergleich: c-BN vs. Diamant

Während Diamant im Allgemeinen als das härteste Material der Erde gilt, kann kubisches Bornitrid (c-BN) Diamant unter bestimmten Bedingungen übertreffen. Die Hauptunterschiede in ihrer Härte ergeben sich aus der Art der in ihren Strukturen gebildeten Bindungen und der Art und Weise, wie diese Materialien unter verschiedenen Spannungs- und Temperaturbedingungen funktionieren.

1. Die Spaltung der Kristallstruktur

Diamant:

Reiner Kohlenstoff sp³ tetraedrisches Netzwerk
Perfekt symmetrische kovalente Bindungen (154 pm C-C-Länge)
Isotrope Härte in Einkristallen

c-BN:

Wechselnde Bor-Stickstoff-Bindungen (156 pm B-N-Länge)
Zinkblende-Struktur mit teilweise ionischem Charakter (~22% ionisch)
Leichte Anisotropie der Härte in den Kristallebenen

2. Temperaturabhängige Härte

Temperatur	Diamant-Härte	c-BN Härte	Kreuzungspunkt
25°C	100 GPa	50 GPa	–
800°C	35 GPa	45 GPa	~750°C
1200°C	10 GPa	30 GPa	–

Hinweis: Bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, bei der die Schneidentemperaturen 800°C überschreiten, behalten c-BN-Werkzeuge ihre Härte bei, während sich Diamant schnell abbaut.

3. Chemische Beständigkeit Vorteile

Eisenhaltige Materialien:

Diamant (C) + Eisen (Fe) → Eisenkarbid (Zementitbildung) bei 750°C
c-BN bleibt bis zu 1400°C inert

Oxidationsbeständigkeit:

Diamant beginnt bei 700°C an der Luft zu graphitieren
c-BN bildet schützende B₂O₃-Schicht über 1000°

4. Vergleich der Bruchzähigkeit

Material	K₁₀ (MPa-m¹ᐟ²)	Typischer Fehlermodus
Diamant	3.4-5.0	Spaltung entlang der (111)-Ebenen
c-BN	6.8-8.2	Muschelkalkfraktur

5. Praktische Leistungsmetriken

Bei der Bearbeitung von AISI 52100-Lagerstahl:

Metrisch	PCD-Werkzeug	c-BN Werkzeug	Verbesserung
Lebensdauer der Werkzeuge	12 Minuten	47 Minuten	292%
Oberfläche	Ra 0,8 μm	Ra 0,3 μm	62.5%
Schnittkraft	280 N	210 N	25%

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Umweltbedingungen wie Temperatur und Druck können die Härte sowohl von c-BN als auch von Diamant erheblich beeinflussen. Während Diamant unter Standardbedingungen sehr stabil ist, nimmt seine Härte bei hohen Temperaturen tendenziell ab. Andererseits zeichnet sich c-BN in Hochtemperaturumgebungen aus und behält seine Härte auch dort bei, wo Diamant möglicherweise nicht so gut abschneidet.

Temperatur: Diamant verliert bei extremen Temperaturen (>700°C) an Härte, während c-BN seine Integrität bis zu Temperaturen von 1500°C oder höher beibehält.
Druck: Unter hohem Druck können beide Materialien eine höhere Härte aufweisen, aber c-BN ist stabiler und widerstandsfähiger gegen Phasenübergänge.
Materielle Interaktion: c-BN eignet sich besser zum Schneiden von Metallen wie Stahl, wo Diamant schneller verschleißen kann.

FAQ

Frage	Antwort
Was ist kubisches Bornitrid (c-BN)?	Kubisches Bornitrid (c-BN) ist ein synthetisches Material, das aus Bor- und Stickstoffatomen in einer diamantähnlichen Kristallstruktur besteht und für seine Härte bekannt ist.
Wie ist die Härte von c-BN im Vergleich zu Diamant?	Während Diamant im Allgemeinen das härteste Material ist, kann c-BN unter bestimmten Bedingungen, insbesondere in Hochtemperaturumgebungen, Diamant übertreffen.
Warum ist c-BN in manchen Fällen härter als Diamant?	Die überlegene thermische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit von c-BN verschaffen ihm in Hochdruck- oder Hochtemperaturumgebungen einen Vorteil gegenüber Diamant.
Welche Anwendungen gibt es für kubisches Bornitrid?	c-BN wird aufgrund seiner außergewöhnlichen Härte und Verschleißfestigkeit für Schneidwerkzeuge, Schleifmittel, Schleifscheiben und Schutzbeschichtungen verwendet.
Was sind die wichtigsten Eigenschaften von kubischem Bornitrid?	c-BN zeichnet sich durch hohe thermische Stabilität, hohe Verschleißfestigkeit und eine FCC-Kristallstruktur aus und ist damit ideal für industrielle Hochleistungsanwendungen.
Kann kubisches Bornitrid Diamant in Industriewerkzeugen ersetzen?	Ja, c-BN wird in der Industrie zunehmend für Werkzeuge verwendet, insbesondere für die Bearbeitung von Hartmetallen, bei denen sich Diamant schneller abnutzen kann.

Während Diamant unter normalen Bedingungen das härteste Material ist, zeichnet sich kubisches Bornitrid (c-BN) in bestimmten Szenarien aus, insbesondere in Umgebungen mit hohen Temperaturen oder hohem Druck. Seine einzigartige Struktur, seine hervorragende thermische Stabilität und seine außergewöhnliche Verschleißfestigkeit machen es zu einer hervorragenden Wahl für verschiedene industrielle Anwendungen. Mit fortschreitender Forschung wird das Potenzial von c-BN in der Hochleistungs- und fortschrittlichen Fertigungsindustrie nur noch wachsen.

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