Werkstoffe

Bornitrid

Einzigartig vielseitig in der technischen Keramik

Der Industriekeramik-Werkstoff Bornitrid (BN) ist ein echter Allrounder: Er findet sich in Sinterkeramik für Hochtemperaturanwendungen und als kubisches Bornitrid (cBN) in verschleißfesten Schleifmitteln und Schneidstoffen. Ebenso aber auch in Form von weißem Graphit als Trenn- und Schmiermittel im Hochtemperaturbereich bei Leichtmetallschmelzen, oder um Kunststoffen Wärmeleitfähigkeit zu verleihen. Von hexagonalem Bornitrid Pulver (hBN) profitieren wiederrum eine große Bandbreite kosmetischer Qualitätsprodukte. Das breite Anwendungsspektrum leitet sich aus den Eigenschaften des Bornitrid ab: Der Keramikwerkstoff ist extrem hitzebeständig und chemisch inert, zugleich aber überaus wärmeleitend und elektrisch isolierend. Je nach Einsatzfeld wird BN als Pulver, Spray, Suspension oder in Form von gesinterten Bauteilen verwendet.

Bornitrid/„weißer Graphit“ als Schmier- und Trennmittel

Moderne Gießverfahren und Hochtemperaturprozesse – z. B. für Leichtmetalle – unterliegen zunehmend optimierten Anforderungen in der Serienfertigung. Die Kernanforderungen hierbei: ein hoher Ausstoß, erweiterte Fertigungstiefe und chemische sowie thermische Beständigkeit der Produktionsanlagen. Insbesondere gilt es, das Kleben von Leichtmetallschmelzen an Formwänden und Schmelzeinrichtungen prozesssicher zu verhindern. Denn heiße Metallschmelzen, etwa Aluminiumschmelzen, sind sehr aggressiv: Sie können kleben, Formwände angreifen und reagieren. Nur wenige Werkstoffe sind diesen Anforderungen gewachsen, allen voran jedoch moderne Hochleistungskeramik wie Bornitrid.

Fähigkeiten von weißem Graphit

Die graphitähnliche Modifikation von Bornitrid (sogenanntes α-BN, auch als „anorganischer“ oder „weißer Graphit“ bezeichnet), wird gerne als Trenn- und Schmiermittel eingesetzt. Es hat wie das schwarze Kohlenstoff-Original ein hexagonales Schichtgitter, ist also als Pulver weich und geschmeidig und bringt so die gewünschte Schmier- und Trennwirkung mit. Doch im Gegensatz zu klassischem Graphit bleibt das Reibungsverhalten von Bornitrid bei den in Leichtmetallgießereien vorherrschenden Temperaturen bis 1.000 °C unverändert. Deswegen ist es ideal als Hochtemperatur-Festschmierstoff. Graphit würde hier oxidieren, Bornitrid-haltige Trenn- und Schmiermittel jedoch nicht. Sie zeichnen sich durch hervorragende Trenneigenschaften, vor allem gegenüber Aluminiumschmelzen aus. Dies verhindert das Kleben von geschmolzenem Metall an Formwänden und fördert das Gleiten des flüssigen Metalls an Schmelzauskleidungen. Dabei schützt der Werkstoff insbesondere die Formwände vor Korrosion und verbessert insgesamt die Standzeit aller Bauteile die mit Metallschmelzen in Berührung kommen.

Einsatz von Bornitrid als Schmier- und Trennmittel

Als Schmier- und Trennmittel für Anwendungen in Hochtemperaturbereichen ist Bornitrid je nach Einsatzgebiet als Pulver, Suspension, Schlichte, Spray oder Paste verbreitet:

BN-Pulver etwa als Trennmittel für eine Beschichtung der Laufflächen von Presswerkzeugen in der Aluminium-Extrusion. Ohne wirksames Trennmittel könnte der zu extrudierende Aluminiumbolzen sonst leicht am Pressstempel ankleben, im Extremfall würde er beim Zurückfahren der Presse sogar wieder herausgezogen. Übliche ölhaltige Schmierstoffe können sich jedoch leicht entzünden. BN als Trennmittel zwischen Alublock und Pressenstempel lässt sich als Pulver elektrostatisch mittels Sprühpistole auftragen und hält gut fünf bis sechs Press-Zyklen. Ein weiteres Plus: Die Oberflächenqualität steigt, weil das Trennmittel nicht ins Profil gezogen wird. Zudem sind Bornitrid beschichtete Strangpresswerkzeuge im Werkzeuglager sicher vor Korrosion und Verschmutzung geschützt.

In der Aluminiummetallurgie kommt Bornitrid meist in Form einer Suspension zur Anwendung. Damit lassen sich etwa Transportrinnen für flüssiges Aluminium, die mit einer feuerfesten Auskleidung versehen sind, mittels BN schlichten. Konventionelle Schlichten basieren hingegen auf Knochenasche oder Graphit und verfügen über ein weit geringeres Wirkungsspektrum.

Weitere Anwendungen von BN-Schlichte:

  • bei feuerfesten Auskleidungen
  • zur Beschichtung von Tiegeln, Rinnen, Senken, Schiebern, Schwimmer, Gießlöffeln, Abschäumern, Messsonden, Sieben, Heißkopfringen etc.
  • zum Extrudieren, Heißpressen oder super- bzw. schnellplastischem Schmieden
  • Schutzanstrich für Anlagen in der Hochvakuum-Metallisierung mit Aluminium
  • als Trennmittel/Schutzanstrich in Verzinkereien
  • Schlichten schützen im Sandguss zuverlässig vor unerwünschten Thermit-Reaktionen
  • bei der Titan-Umformung
  • in der Glasindustrie als Trennmittel, um ein Verkleben zu verhindern, wenn heißes Glas mit den Umform- bzw. Verarbeitungswerkzeugen in Kontakt gerät
  • Als Trenn- bzw. Schmiermittel-Additiv für von Fetten und Ölen

BN-Schlichten lassen sich leicht durch Pinseln, Streichen, Sprühen, oder Tauchen auftragen. Auf diese Weise lassen sich daneben auch beschädigte Schlichten und Risse in den Untergründen reparieren.

Profitipp: Bei mehrmaligen Beschichtungsvorgängen mittels Rollen oder Streichen sollte stets auf eine Vorwärmung geachtet werden. Damit lässt sich ein Anlösen der untersten Schicht verhindern. Bereits bei einer Dicke von wenigen Mikrometern entfalten sie dann ihre Schutzwirkung.

Weißes Graphit ist auch als Spray auf Basis von Ethanol als Lösemittel verbreitet. Dies sorgt für eine schnelles bequemes applizieren für effektive Nicht-Benetzbarkeit bei guter Schmierfähigkeit. Allerdings sind diese aufgrund des verwendeten Lösungsmittels hochentzündlich und sollten daher nicht auf Bauteilen über max. 70° C angewendet werden.

Bornitrid-Pulver bzw. -Granulat als Additiv für wärmeleitfähige Kunststoffe

Kunststoffe, deren Vorteil unter anderem in einer flexiblen Formgebung für vielfältige technische Produkte liegt, sind gewöhnlich nicht besonders wärmeleitfähig. Gerade vielfältige elektronische Bauteile von der Automobil- bis zur Unterhaltungselektronik erfordern heute jedoch Werkstoffe, die Wärme auf engstem Raum schnell sowie effektiv abführen können. Bisher wurden dafür in erster Linie metallische Aluminium- bzw. Kupfer-Kühlkörper eingesetzt. Der Montageaufwand ist aber immer enorm hoch. Denn da diese zugleich elektrisch leiten, müssen Isolationsschichten eingesetzt werden. Besser ist es hier, Kühlelemente anstatt aus Metall aus wärmeleitfähigem Kunststoff herzustellen. Dadurch verringern sich Werkzeugkosten, zudem wird eine elektrische Isolationsschicht überflüssig.

Fähigkeiten von Bornitrid als Additiv für wärmeleitfähige Kunststoffe

In Form von Pulver bzw. Granulatenmacht hexagonales Bornitrid Kunststoffe sehr gut wärmeleitfähig. Neben einer hohen Wärmeleitfähigkeit bietet Bornitrid-Pulver in diesem Fall weitere nützliche Eigenschaften, wie gute Temperatur- und Abriebbeständigkeit, niedrige Dielektrizitätskonstante sowie ein ausgezeichnetes elektrisches Isolationsvermögen. Die Wärmeleitfähigkeit erreicht in der Kombination mit Thermoplasten über 10 W/m*K. Bornitrid macht somit aus einem Kunststoff mit unzureichenden Wärmeleiteigenschaften einen guten Wärmeleiter bei gleichzeitiger elektrischer Isolation und bietet so eine beträchtliche Designfreiheit im Elektronikbereich. Denn Kunststoff mit Bornitrid lässt sich problemlos verarbeiten: mittels Extrusion sowie Spritzguss – so sind auch sehr komplexe Kühlrippenstruktur leicht umsetzbar.

Vorteile wärmeleitoptimierter Kunststoff-Kühlkörper:

  • gute Wärmeleitfähigkeit
  • hohe Design-Freiheiten
  • Gewichtsreduktion gegenüber metallischen Kühlkörpern
  • kurze Entwicklungszeiten sowie -kosten
  • reduzierte Produktions- und Montagekosten ohne zusätzlichen Isolationsaufwand

Im Durchschnitt kann von 30 % geringeren Systemkosten als bei konventionellen Lösungen ausgegangen werden.

Einsatzfelder von Bornitrid als Additiv

Wärmeleitfähige Kunststoffe mit Bornitrid lassen sich in zahlreichen technischen Bereichen nutzen:

  • Bei der Automobilelektronik für Sensorik, LED-Beleuchtungssyteme, Heizsysteme oder Elektromotor-Komponenten
  • Im Bereich der Unterhaltungselektronik von Smartphones, über LED-Fernseher bis hin zu Tablets
  • 3M Ingenieure haben schon den Prototyp einer neuartigen LED-Taschenlampe mittels wärmeleitfähigem Kunststoff realisiert. Diese besteht aus lediglich zwei Bauteilen: einer Leiterplatte mit Leuchtdiode und einer elektronischen Steuereinheit mit integriertem Kunststoffkörper, der unmittelbar mittels Spritzguss um die Platine geschmolzen wird. Bei der Demo-LED-Taschenlampe besteht der Kühlkörper zu zwei Dritteln aus PET-Kunststoff und zu einem Drittel aus 3M Bornitrid Cooling Filler. Für Kühlkörper sind keinerlei weiteren Montageschritte nötig. Die Betriebs-Temperaturen in Celsius-Graden wurden rundweg halbiert.

Bornitrid Pulver in der Kosmetik

Hochfeines Bornitrid Pulver ist als anorganischer Füllstoff ein prominenter Qualitätsverbesserer von kosmetischen Produkten. In unabhängige Laborstudien werden beispielsweise Cremes mit einem Zusatz von 3% mikronisiertem Bornitrid-Pulver eine signifikante Verbesserung der Hautfeuchtigkeit, Elastizität und Hautdicke bescheinigt, während die „mittlere Rauhigkeit der Haut“ um 21% gesenkt wurde. Im Bereich der Farbkosmetik bietet Bornitrid z.B. einen verbesserten Farbeffekt sowie eine leicht hautaufhellende Wirkung.

Hautpflege

  • Verbesserung der Haptik
  • Hohe Deckkraft
  • Erhöhung der Hautgeschmeidigkeit
  • Optische Faltenreduzierung
  • Verminderte Hautunreinheit

Farbkosmetik

  • verbesserte Farbeffekte
  • samtiges Hautgefühl
  • gute Verteilbarkeit
  • ausgezeichnete Haftung auf der Haut
  • dauerhafte Wirkung
  • hautaufhellende Wirkung
  • Stabilisierungseffekt in Emulsionen

Fähigkeiten von Bornitrid Sinterkörpern

Formteile aus Bornitrid (in der hexagonalen Form) entstehen bei hohen Temperaturen und einem hohen Druck im Heißpressverfahren (Sinterung). Bedingt durch seine hohe inerte Fähigkeiten sorgt gesinterte Bornitridkeramik als Auskleidung im Ofenbau dafür, dass wegen der guten thermischen sowie chemischen Stabilität bei zugleich enorm hoher Thermoschockbeständigkeit keinerlei Fremdmaterial in die Schmelze übergeht. So gelingt etwa bei Hochtemperaturöfen eine defektfreie Ablösung erstarrter Metallschmelzen.

Anwendung von BN-Sinterkörpern

  • Einsatz von BN-Sinterkeramik-Bauelementen in Gießereien oder Stahlwerken
  • als Side Dams beim Dünnbandgießen von Metallschmelzen (Stahl- sowie NE-Legierungen). Diese sorgen für eine seitliche Abdichtung der Walzen und gestatten so die Fabrikation von Flachmetallbändern unmittelbar aus einer Schmelze
  • bei Tiegeln für hochreine schmelzflüssige Metalle
  • als Ablöseringe für den Horizontalstrangguss bei Stahl- bzw. NE-Legierungen
  • als Thermoelementschutzrohre oder Isolationsbuchsen bei Stromdurchführungen
  • als Mischkeramik z.B. in Verdampferschiffchen für Metallisierungsanlagen
  • Bornitrid Sinterkörper für die Verdüsung der Metallschmelzen
  • Düsen zum Pulvermetallspritzen
  • Isolatoren in Hochtemperaturöfen
  • als Stützelemente für Graphitheizer
  • Dichtscheiben in Lambdasonden

Bei gesinterten Bornitrid-Bauteilen lässt sich zudem durch die Beigabe von Carbiden, Oxiden und Nitriden eine breite Vielfalt physikalischer sowie chemischer Eigenschaften einstellen. So kommt beispielsweise BN-ZrO2 Verbundwerkstoff, der im Vergleich zu konventioneller Bornitridkeramik über eine höhere mechanische Festigkeit verfügt, für Feuerfestkomponenten und Gießdüsen bei Nickel- und Cobaltbasis-Legierungen ebenso wie in der Aluminiumindustrie zum Einsatz.

Anwendungen für pyrolytisches Bornitrid

Sehr verwandt mit β-Bornitrid ist das so genannte pyrolytische Bornitrid (kurz PBN). Dieses wird meistens durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) gewonnen, bei der an der erhitzten Oberfläche eines Substrates aus der Gasphase eine Feststoffkomponente abgeschieden wird. Vorteil: Bauteile aus pyrolytischem Bornitrid sind flexibel und trotzdem formstabil; dazu zählen

  • feuerfeste Tiegel, Platten oder Schalen

Außerdem kommt PBN zum Einsatz bei:

  • der Herstellung von aktiven Schichten für die Produktion von Photovoltaik-Zellen
  • Herstellung von OLED Produkten
  • Reinigung von seltenen Erden oder anderen Metallen
  • Verdampfung von reinen Metallen im Ultrahoch-Vakuum
  • Kristallzucht

Kubisches Bornitrid (CBN) als Schleifmittel und Schneidstoff

Heutzutage unterliegt die spanende Bearbeitung z. B. von Hartmetallen oft hohen Anforderungen bezüglich Prozessgeschwindigkeit (z. B. Hochgeschwindigkeitsschleifen), Produktqualität, Maßhaltigkeit, Kosten und Energieaufwand. Dies erfordert ganz spezielle, hochbelastbare Bearbeitungsmaterialien.

Vorteile von CBN

Kubisches Bornitrid (CBN, auch als β-Bornitrid bezeichnet) zählt zu den härtesten Materialien überhaupt und ist der nach Diamant zweithärtester Schneidstoff. Der Werkstoff verfügt daher über eine hohe Abriebfestigkeit, verbunden mit einer sehr guten Wärmeleitfähigkeit und chemischen Resistenz. Bearbeitungswerkzeuge aus CBN verschleißen deswegen deutlich langsamer als gewöhnliche Schneidstoffe aus Korund oder Siliziumkarbid. Die Folge: Eine viel höhere Form- und Maßgenauigkeit der Werkstücke. Zudem lassen sich auch überaus harte Werkstoffe stets prozesssicher bearbeiten. Mikrokristalline CBN-Sorten verschleißen nicht als Ganzes, sondern sie bilden unter zunehmendem Druck neue scharfe Schneidkanten aus.

Einsatzfelder von CBN

Technisch bedeutsam ist CBN hauptsächlich als Schneidstoff sowie als Schleifmittel bei Wendeschneidplatten zur Stahlbearbeitung. Das große Plus: Es gibt – im Gegensatz zu Diamant – auch bei Temperatureinwirkung keinerlei Kohlenstoff an den Stahl ab. Mit CBN-Schleifscheiben lassen sich selbst zähharte Stähle wie z. B. HSS-Stahl, Warm- und Kaltarbeitsstahl gut schleifen.

CBN-Scheiben werden weiterhin eingesetzt für das Schleifen von:

  • hochlegierten und einsatzgehärteten Werkzeugstählen (min. 55 HRC)
  • nickelbasierten Superlegierungen
  • Hartguss
  • Pulverbeschichtungen mit Eisenmaterial
  • Hartlegierungen auf Cobalt-Chrom-Basis (Stellite)

Bisweilen sind die Körner bei CBN-Schleifscheiben auch mit einer Metallauflage aus Kupfer oder Nickel versehen. So kann das Korn perfekt in seiner Bindung gehalten werden und die beim Schleifvorgang entstehende Wärme wird in die Bindung abgeleitet.

Polykristallines kubisches BN (PKB/englisch PCBN)

Typische Bauteile, deren Bearbeitung mit PCBN erfolgt, sind z. B.

  • Motorblöcke
  • Bremsscheiben und -trommeln
  • Ventilsitze und -führungen, Maschinenteile
  • Zylinderlaufbüchsen
  • Getriebe
  • Schwungräder
  • Press- und Prägeteile

PCBN sind CBN-Mikrokörnungen aus der kubischen Bornitridform mit einer keramischen Binderphase. PCBN ist bis zu hohen Temperaturen chemisch inert und reagiert nicht mit Eisen. PCBN wird als Schneidstoff zur Bearbeitung harter bzw. abrasiver FE-Werkstückmaterialien eingesetzt, wie etwa

  • Schnellarbeitsstahl
  • einsatzgehärtetem Stahl
  • Warm-/Kaltarbeits-Werkzeugstahl
  • Grauguss
  • Aufschweißlegierungen
  • Sintereisen

Binderloses nanokristallines kubisches Bornitrid (BNNC)

BNNC ist ein neu entwickelter Schneidwerkstoff für schwer zerspanbare Werkstoffe. Im Vergleich zu den etablierten CBN-Schneidwerkstoffen weist er eine nochmals gesteigerte Härte sowie eine noch bessere Temperaturfestigkeit auf.

Sonstige Anwendungen von Bornitrid

  • Hexagonales Bornitridkommt auch als mögliches Material bei (UV-) Leuchtdioden in Frage. Vor allem aufgrund seiner interessanten Eigenschaften als III-V-Verbindungshalbleiter.
  • Poröse Schwämme aus Bornitrid können etwa das 33-fache ihres Eigengewicht an Öl und organischen Lösungsmitteln aufnehmen. Nach dem Verbrennen und Verdampfen der aufgesogenen Flüssigkeiten lässt sich der Filterschwamm verlässlich zurückgewinnen. Diese Eigenschaft ist z. B. zur Wasseraufbereitung und -reinigung nutzbar.

Herstellung

  • Die (weiße) α-Modifikation, hexagonales Bornitrid BN, entsteht bei großen Temperaturen aus Boroxid und elementarem Stickstoff N2 mittels Kalziumphosphat als Katalysator.
  • β-Bornitrid (CBN) lässt sich bei hohen Temperaturen (ab 1.500 °C) und bei zugleich hohem Druck (zwischen 50 und 90 kbar) aus der hexagonalen α-Modifikation herstellen – ganz ähnlich wie Graphit zu Diamant wird.

Formen

  • α-Bornitrid ist strukturell durchaus mit Graphit vergleichbar (deswegen auch als weißer Graphit bezeichnet), und besteht aus einer wabenförmigen, planaren, hexagonalen Kristallstruktur in Schichten.
  • kubisches β-Bornitrid (CBN) als Modifikation einer Bor-Stickstoff-Verbindung liegt in einer kubischen, diamantähnlichen Struktur vor.

Eigenschaften

  • Farbe: Weiß
  • Spezifisches Gewicht: 2,26 g/cm³
  • Anwendungstemperatur: Bis 900 °C in Luft, bei inerter Atmosphäre sogar bis 2.000°C
  • Oxidationsbeständig: bis 1.000°C
  • Schmelzpunkt: 2.700°C
  • guter elektrischer Isolator
  • Wärmeleitfähigkeit: bis 400 W/m*K
  • gutes Gleitverhalten auch bei hohen Temperaturen

Bei kubischem β-Bornitrid (CBN) handelt es sich um eines der härtesten Materialien überhaupt: Die Knoop-Härte liegt bei rund 48 GPa.

Fazit: Hochleistungskeramik wie Bornitrid bietet reichlich Potenzial für neue innovative Einsatzfelder in der Industrie. Hier kommt es jedoch auf einen kompetenten Anbieter an, der zusammen mit dem Nutzer auf den speziellen Anwendungszweck hin maßgeschneiderte Lösungen entwickelt.