Bornitrid

Grundlagen und Modifikationen

Bornitrid ist eine Bor-Stickstoff-Verbindung mit der Verhältnisformel BN. Es ist ein weißer, geruchloser Feststoff und kommt in drei Kristallmodifikationen vor: hexagonales α-BN (h-BN), kubisches β-BN (c-BN oder CBN) und wurtzitisches γ-BN (w-BN). Unter Normalbedingungen sind α-BN und β-BN stabil; γ-BN ist metastabil. Amorphes Bornitrid kristallisiert nicht.

Die Modifikationen ähneln den unterschiedlichen Strukturen des isoelektronischen Kohlenstoffs: α-BN entspricht strukturell Graphit, β-BN dem Diamanten und γ-BN dem Lonsdaleit. Deshalb besitzt hexagonales Bornitrid eine geringe Härte und gute Gleiteigenschaften, während kubisches Bornitrid extrem hart ist. Natürlich vorkommendes kubisches Bornitrid wurde in der Luobusha- beziehungsweise Luobusa-Chromitmine im Kreis Qusum in Tibet entdeckt. Die International Mineralogical Association erkannte es 2013 unter dem Namen Qingsongit als eigene Mineralart an.

Kristallstruktur und wichtige Eigenschaften

α-BN besteht aus ebenen Schichten mit einer hexagonalen Wabenstruktur. Bor- und Stickstoffatome wechseln sich ab. Die Hexagone der einzelnen Schichten liegen übereinander, sodass sich oberhalb und unterhalb jedes Boratoms jeweils ein Stickstoffatom befindet. Die Schichten sind ähnlich wie beim Graphit aufgebaut, die Elektronen sind wegen der Elektronegativitätsdifferenz zwischen Bor und Stickstoff jedoch nicht frei beweglich. Daher leitet α-BN erst bei sehr hohen Temperaturen elektrischen Strom.

β-BN besitzt eine kubische Sphalerit-Struktur, deren Grundstruktur der Diamantstruktur entspricht. γ-BN entspricht der hexagonalen Wurtzit-Struktur und ist gegenüber β-BN metastabil. Die diamantähnlichen Formen haben eine um über 50 % höhere Dichte als α-BN, weil ihr Schichtabstand um etwa 30 % kleiner ist. Oberhalb von 1200 °C bis zum Schmelzpunkt ist α-BN stabil; γ-BN ist nur bei sehr hohen Drücken von über etwa 10 GPa stabil.

Kubisches Bornitrid gehört zu den härtesten Stoffen. Seine Knoop-Härte beträgt unter Normalbedingungen etwa 48 GPa beziehungsweise 48.000 N/mm²; Diamant erreicht im Vergleich 70 bis 100 GPa. CBN-Werkzeuge verschleißen bei geeigneter Anwendung langsam und ermöglichen dadurch eine hohe Form- und Maßgenauigkeit sowie die Bearbeitung von Stahl bis 70 HRC. Wegen seiner hohen Härte ist CBN allerdings spröde, weshalb unterbrochene Schnitte problematisch sein können.

Bornitrid ist bis zu hohen Temperaturen chemisch inert. CBN besitzt eine etwa fünfmal so hohe Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer. Beim Schleifen kann es Wärme aufnehmen und an das Kühlmittel oder die Umgebung abgeben. Dadurch erwärmt sich das Werkstück weniger als beim Schleifen mit Korund, und das Gefüge der Randzone wird weniger beeinflusst. CBN wird von hohen Schleiftemperaturen bei Eisen, Nickel und Kobalt chemisch nicht angegriffen. Seine Härte bleibt auch bei mehr als 1000 °C nahezu unverändert, während Diamant bereits bei etwa 700 °C stark an Härte verliert.

Die molare Masse von Bornitrid beträgt 24,83 g·mol⁻¹, die Dichte 2,25 g·cm⁻³ für α-BN und 3,45 g·cm⁻³ für β-BN. Der Schmelzpunkt liegt bei 2967 °C; in Wasser ist Bornitrid nahezu unlöslich. Die Standardbildungsenthalpie beträgt ΔHf° = −254,4 kJ/mol. Für den Stoff gelten unter anderem die GHS-Kennzeichnung „Achtung“, H-Sätze 319‐335 und P-Sätze 261‐305+351+338.

Herstellung der Modifikationen

Hexagonales α-BN kann bei hohen Temperaturen aus Bortrioxid und Stickstoff hergestellt werden. Als Katalysator dient Calciumphosphat, Ca₃(PO₄)₂. Anstelle von Stickstoff können Ammoniak oder eine Ammoniumverbindung verwendet werden; anstelle von Boroxid sind auch Borhalogenide möglich. Beispielsweise gelten die Reaktionen:

• B₂O₃ + 2 NH₃ → 2 BN + 3 H₂O
• BBr₃ + 4 NH₃ → BN + 3 NH₄Br
• BCl₃ + 4 NH₃ → BN + 3 NH₄Cl

β-BN beziehungsweise CBN wird analog zur Diamantherstellung aus Graphit aus α-BN synthetisiert. Dafür sind Temperaturen von 1500–2200 °C und Drücke von 50–90 kbar erforderlich. Als Katalysator kann Lithiumnitrid, Li₃N, eingesetzt werden. Bei noch höheren Drücken entsteht γ-BN. Bei der Rückführung zu Normalbedingungen besteht die Gefahr, dass sich γ-BN wieder umwandelt, wenn der Vorgang nicht schnell genug durch das Phasengebiet von β-BN geführt wird. Deshalb wird γ-BN auch bei niedrigeren Temperaturen hergestellt, um den metastabilen Zustand schneller zu erreichen.

Verwendung und Schleiftechnik

β-BN wird vor allem als Schleifmittel und als Schneidstoff für Wendeschneidplatten zur Bearbeitung von Stahl verwendet. Anders als Diamant gibt es unter Temperatureinwirkung keinen Kohlenstoff an Stahl ab. Deshalb eignet es sich auch für Oberflächenbeschichtungen. α-BN wird als anorganischer oder weißer Graphit und als Schmiermittel eingesetzt. Sein Reibungskoeffizient bleibt bis über 1000 °C stabil, weshalb es als Hochtemperaturfestschmierstoff unter Vakuum geeignet ist. Bei 1400–1800 °C und Drücken über 6 GPa kann sich α-BN in β-BN umwandeln.

Weitere Anwendungen sind Make-up wegen der hohen Deckkraft und der graphitähnlichen Beschaffenheit, poröse Bornitrid-Schwämme zur Aufnahme von etwa dem 33-Fachen ihres Eigengewichts an Öl und organischen Lösungsmitteln sowie die Forschung an h-BN für UV-Leuchtdioden und Heterostrukturen mit Graphen. Einlagiges Bornitrid kann nach experimentellen Ergebnissen Quantenfluktuationen verstärken.

CBN-Scheiben werden unter anderem zum Schleifen von gehärteten Schnellarbeitsstählen, hochlegierten Werkzeugstählen ab 55 HRC, einsatzgehärteten Stählen, eisenbasierten Pulverbeschichtungen, Hartguss, bestimmten weichen Stahlqualitäten, Stellite und nickelbasierten Superlegierungen eingesetzt. Die optimale Schnittgeschwindigkeit hängt von Schleifart, Kühlung und Maschine ab. Unter normalen Bedingungen liegen die Geschwindigkeiten bei 30–60 m/s beim Nassschliff beziehungsweise 15–20 m/s; beim Hochgeschwindigkeitsschleifen sind unter geeigneten Bedingungen deutlich höhere Geschwindigkeiten möglich.

Meist wird reines Schleiföl verwendet. Es verringert die Reibung und führt Wärme stetig ab. Öl-Wasser-Emulsionen sind möglich, verkürzen aber die Standzeit der Scheibe. Beim Einsatz von Kühlschmierstoff muss eine dauerhafte Nachförderung gewährleistet sein, weil thermische Schocks, etwa durch unterbrochenes manuelles Aufsprühen, Schneidkanten abplatzen lassen können.

Die CBN-Körner werden oft mit Nickel oder Kupfer ummantelt. Kunstharzbindungen ermöglichen viele Bindungsvarianten, hohe Abtragsleistungen, geringe Schleifdrücke und geringe Temperaturen und eignen sich für Trocken- und Nassschliff. Metallbindungen halten die Körner besonders stark, sind verschleißfest und eignen sich vor allem für Profilscheiben, haben aber eine geringere Zerspanungsleistung. Galvanische Bindungen lassen etwa 30–50 % des Korns hervorstehen und bieten eine sehr hohe Schleifleistung, besitzen jedoch eine kurze Gesamtstandzeit. Poröse keramische Bindungen sind profilierbar, ermöglichen geringe Schleifkräfte, hohe Oberflächengüte und Abrichtbarkeit.

Die Bindung muss stumpfe Körner ausbrechen lassen, aber schneidende Körner sicher halten. Bei zu hoher Kornhaltekraft steigen Schleifdruck und Temperatur; die Scheibe kann sich zusetzen, verschmieren und ihre Abtragsleistung verlieren. CBN-Schleifmaschinen benötigen stabile, spielfreie Führungen, rund laufende Spindeln, erschütterungsfreien Stand und ausreichend Motorleistung. Scheiben müssen möglichst genau geschliffen und bis zum Verschleiß auf ihrer Aufnahme belassen werden, damit Rundlauffehler gering bleiben.

PCBN und pyrolytisches Bornitrid

Polykristallines kubisches Bornitrid, PKB oder PCBN, ist ein synthetischer Verbundwerkstoff aus kubischem Bornitrid und einer keramischen Binderphase. Zunächst werden cBN-Mikrokörnungen aus hexagonalem Bornitrid bei hohen Temperaturen und Drücken synthetisiert, sortiert und charakterisiert. Anschließend werden sie zusammen mit einem keramischen Bindermaterial in einem zweiten Syntheseprozess verarbeitet. PCBN ist mit unterschiedlichen Anteilen von cBN und Binder sowie in verschiedenen Formaten erhältlich. Nach ISO wird der Schneidstoff BN genannt; außerdem sind CBN und PCBN gebräuchlich.

PCBN dient zur Bearbeitung harter oder abrasiver eisenhaltiger Werkstoffe. Wegen seiner chemischen Inertheit reagiert es im Gegensatz zu polykristallinem Diamant nicht mit Eisen. Bearbeitet werden unter anderem Bremsscheiben, Motorblöcke, Zylinderlaufbuchsen, Bremstrommeln, Schwungräder, Ventilsitze und -führungen, Maschinenteile, Getriebe sowie Press- und Prägeteile. Geeignete Werkstoffe sind Werkzeugstahl für Warm- und Kaltarbeit, einsatzgehärteter Stahl, Schnellarbeitsstahl, Lagerstahl und Sintereisen jeweils mit 45–65 HRC, Aufschweißlegierungen über 35 HRC sowie Grauguss mit 200–280 HBN.

Pyrolytisches Bornitrid, pBN oder PBN, ist dem β-Bornitrid verwandt. Wegen seiner geringen Ausgasung auch bei hohen Temperaturen werden daraus Tiegel hergestellt, die als Effusionszellen in der Molekularstrahlepitaxie eingesetzt werden.