yrd. doÇ. dr. atİlla evcİn - kimmuh.comcamsı metaller ve metalik camlar adıyla da anılan amorf...

1

YRD. DOÇ. DR. ATİLLA EVCİN

Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi 2007


2

Uç ürünler daha önce belirtilen ham rafine rafine ürünlerden üretilirler. En önemli özelliklerini ileri teknoloji gerektiren yöntemler ile üretilmeleri oluşturmaktadır. Ham rafine bor ürünlerine göre üretilen uç ürün sayısıdaha fazladır.

Belli başlı uç ürünler arasında elementer bor, bor karbür, bor nitrür ve bor alaşımları sayılabilir. Elementer bor, günümüzde askeri faaliyetler sırasında, aydınlatma amacıyla kullanılmaktadır.

Bor karbür, uç ürünler içinde en çok kullanılanlardan biridir. Bu malzemenin en önemli özelliklerinden biri, elmastan sonra ikinci en yüksek sertliğe sahip olmasıdır. Yüksek sıcaklığa dayanıklıdır ve nötron absorbsiyonyeteneği vardır. Bu özellikleri sayesinde askeri araçlarızırhlanmasında ve nükleer reaktörlerde kullanılır.



3

Bor nitrür, hegzagonal ve kübik sistemde kristalleşen bir bileşiktir. Hegzagonal bor nitrür, beyaz grafit olarak da tanımlanır. Oksidasyon direnci olan ve yüksek ısıya dayanan bir bor türevidir. Toz halindeki hegzagonal bor nitrür yüksek sıcaklıklarda yağlama malzemesi olarak geniş bir alanda kullanılmaktadır. Kübik bor nitrür ise elmas sertliğinde bir üründür. Suni elmas diye tanımlanabilmektedir. 1320°C’ye kadar özelliklerini korur.

Ferrobor, çeliği bor ile alaşımlandırma ve trafo çekirdeklerinde amorf malzeme olarak kullanılması en önemli kullanım alanını oluşturmaktadır. Nikelli ve kobaltlı bor alaşımları da yüksek frekanslı trafo çekirdeklerinde kullanılmaktadır. Bu alaşımlardan üretilen teller EKG gibi cihazların sensörlerinin üretiminde tercih edilmektedir.



4

Sıcak presde üretilen TiB2, BN, B4C kompozitleri başka malzemelerin sert TiBCN kompozitiyle kaplanmasında kullanılmaktadır.

Elementer BorAmorf BorGünümüzde askeri amaçlı olarak karakteristik yeşil renkli hedef aydınlatma malzemesi ve roketlerde ateşleyici olarak kullanılmaktadır. Amorf borun fiyatı 2000$/kg’dır. Yüksek Teknoloji Seramik ve Kompozitleri Araştırma Merkezi’nde (YTSKAM) laboratuarlarında 500 kg/yıl kapasiteli bir tesis mevcuttur. Amorf bor, bor karbürün KBF4 ile beraber ergimiş tuz rafinasyon elektrolizi ile elde edilmektedir.



5

Kristalin Bor:Wolfram filament üzerinde bor triklorürün hidrojen gazıaltında ayrışması ile üretilmektedir. Oda sıcaklığında yarı iletken bir malzemedir. Yüksek sıcaklıkta metaller gibi elektriği iyi iletir. 2180°C’de ergir, 3650°C’de kaynar. Metal borürlerin hazırlanmasında kullanılır. Yarı iletkenlerde dopant element olarak ve lazer teknolojisinde kullanılmaktadır. Kristalin borun fiyatı 5000$/kg’dır.

Bor Karbür (B4C)Bor karbür, elmas ve kübik bor nitrürden sonra bilinen en sert malzemedir. Tonaj miktarlarına göre üretilen malzemeler içinde en sert olanıdır. 19.yüzyılda metal boritlerin bir yan ürünü olarak keşfedilmiştir. Ancak 1930 lu yıllardan sonra detaylıolarak araştırılmaya başlanmıştır.Bor karbür tozu, karbonun B2O3 ile karbotermalreaksiyon veya gaz fazı reaksiyonlarıyla elektrik ark fırınında bir tepkimeye girmesiyle oluşur. Ticari kullanım için B4C tozlarının öğütülüp metalik safsızlıklardan uzaklaştırılması gerekir.



6

Diğer oksit olmayan malzemeler gibi bor karbürün teorik yoğunluğunun % 95 den fazlasına ulaşması sıcak presleme veya yüksek basınçlı sinterle işlemleriyezordur. 1900-2200 °C sıcaklıklarda sinterleme için ince karbon tozu gibi bazı dopantlar gereklidir.Bir alternatif olarak B4C tozları uygun bir altlık yüzeyine buhar fazı reaksiyonu teknikleriyle metan veya karbon kaynakları bor halidlerle kullanılarak kaplama olarak uygulanabilir.

ÖzellikleriYüksek SertlikBor karbür çok yüksek nötron absorbsiyon kabiliyetine sahiptir.Sinterlemeye yardımcı elemanlar kullanılmadan yüksek yoğunluğa ulaşmadaki zorluk.İyi kimyasal dirençİyi nükleer özelliklerDüşük yoğunlukKristal yapısı : Rombohedral



7

600Thermal neutron capture cross section (barn)

5Thermal Expansion Co-eff. x10-6 (°C)

30 - 42Thermal Conductivity (at 25°C) (W/m.K)

140Electrical Conductivity (at 25°C) (S)

450 - 470 Young's Modulus (GPa)

2.9 - 3.7 Fracture Toughness (MPa.m-½)

2900-3580Hardness (Knoop 100g) (kg.mm-2)

2445Melting Point (°C)

2.52Density (g.cm-3)

Property

Kullanım AlanlarıAşındırıcılar

Yüksek sertliğinden dolayı bor karbür tozlarıcilalama,sarma su jet kesim uygulamalarında aşındırıcıolarak kullanılır. Ayrıca elmas aletlerin teknik özelliklerinin iyileştirilmesinde de kullanılır.

NozüllerBor karbürün mükemmel sertliği, mükemmel aşınma ve eskime direncine sebep olur. Çamuru pompalama ve su jet kesiciler için çok uygundur.



8

Nükleer UygulamalarRadyo-nüklitler oluşturmadan nötron emebilme özelliği nedeniyle nükleer üretim birimlerinde nötron radyasyon absorbenti olarak kullanılır. Kalkanlarda ve peletlerin kontrolünde kullanılır. Ayrıca yüksek sertlik, yüksek elastik modül, düşük yoğunluk spesifikasyonlarıyla diğer malzemelerle birlikte zırh olarak (vücut ve silah ) kullanılır. Yüksek hız mermilerine karşı güvenliği sağlar. Seramik kesici takımlarda, malzeme testleri için buharlaştırma ekipmanlarında da kullanılır.

Üretim TeknolojileriBORİK ASİTBORİK ASİT PETROL KOKUPETROL KOKU

GRAFİT DİRENÇLİFIRINDA REAKSİYON

GRAFİT DİRENÇLİFIRINDA REAKSİYON

ÜRÜNLERÜRÜNLER

KIRMA ÖĞÜTME İŞLEMLERİ

KIRMA ÖĞÜTME İŞLEMLERİ

ÇÖZÜMLENDİRMEÇÖZÜMLENDİRME

SİNTERLEMEYE UYGUN BOR KARBÜR

TOZU

SİNTERLEMEYE UYGUN BOR KARBÜR

TOZU

MANYETİK AYRIŞTIRMA

MANYETİK AYRIŞTIRMA



9

Bor Nitrür

Bor nitrür, taşıdığı yüksek ısıl şok direnci, ısıl iletkenlik, elektriksel yalıtkanlık, kimyasal kararlılık ve yağlayıcılık gibi üstün özelliklere sahip sentetik bir malzemedir.Bu özellikleri nedeniyle metalurjik yüksek sıcaklık uygulamalarında, elektrik-elektronik endüstrisinde, seramik kompozit malzemelerinin yapımında ve kimya endüstrisinde toz ve şekillendirilmiş kütleler halinde kullanılmaktadır.Bor nitrür, doğada tabii halde bulunmaz.Üç farklı kristal formu bulunmaktadır.Hegzagonal (h) BN, kübik (c) BN ve piroliktik BN



10

Özelliklerih-BN, yapısal yönden grafite, görünüm olarak alüminaya benzeyen, beyaz renkli, zehirsiz, geçirimsiz ve kaygan bir malzemedir.Seramik malzemeler içerisinde en düşük yoğunlukta olanıdır. (2,27 g/cm3)Çok yüksek sıcaklıklara dayanıklıdır. (İnertatmosferde 3000 °C’ye kadar, hava ortamında 1400 °C’ye kadar)Isıl şok direnci çok yüksektir. (0-2000 °C)Birçok ergimiş metal veya cüruflar ve ergimiş camlar tarafından ıslatılma özelliği düşüktür.Mükemmel elektrik yalıtım özelliğine ve ısıl direncine sahiptir.

Özellikleric-BN, kristal yapısı ve diğer özellikleri yönünden elmasa benzer.Saf c-BN renksiz ve iyi bir elektrik yalıtkandır.Elmasın aksine yüksek ısıl dirence sahip olup, çok yüksek sıcaklıklara dayanıklıdır.Mekanik şoklara karşı dayanımı yüksektir.Piroliktik BN, kimyasal buhar biriktirme metoduyla üretilen formudur.Piroliktik BN, ısı kalkanı, elektrik kablolarının izolasyonu, indüksiyon bobinleri taşıyıcıları, elektrik dirençleri ve yüksek sıcaklık kondansatörleri, infrared cam üretiminde kullanılır.



11

Kullanım Alanlarıh-BN, sıcak ve ergimiş metallerle temas eden yüzeylerde kaplama olarak kullanılır. BN kaplama, korozyonu ve kimyasal olarak malzemenin reaksiyona girmesini önler.Aynı amaçla cam ve plastik endüstrisinde de kullanılır.Kompozit üretiminde BN kaplamalar kalıbın oksitlenmesini önler.Yüksek sıcaklıklarda yağlayıcı olarak kullanılır.Yüksek ısıl şok direncinin ve yüksek tokluğun istendiği (pota, refrakter) uygulamalarda kullanılır.Dielektrik malzeme olarak, elektronik sanayiindekullanılır.



12

c-BN ise, çok yüksek ısıl iletkenliği sebebiyle kesme aletlerinde (cutting tools) kullanılır.Elmasla karşılaştırıldığında c-BN ‘ün en önemli avantajı, demir veya diğer metallerle temasında veya havada yüksek sıcaklıkta sahip olduğu çok yüksek kararlılığıdır.Sertleştirilmiş çeliklerin işlenmesinde kullanılır. BN kesici aletler, işlenme esnasında sıvı kullanılmadan hızlı işleme için uygundur.Yüksek sıcaklıklarda kesici alet ve aşındırıcı olarak kullanılır.Mekanik şoklara karşı yüksek dayanımı sebebiyle dökümle ve dövmeyle üretilen parçaların işlenmesinde kullanılır.

Üretim TeknolojileriBN endüstriyel alanda aşağıda açıklanan 4 metodlaüretilmektedir.BN üretiminde birinci metod ; karbon, bor oksit ve azot gazının 1450-1650 °C arasında reaksiyona sokulmasıdır. Dünyada BN üretiminde en yaygın olan prosestir.

B2O3 + 3 C + N2 → 2 BN + 3 CO

BN üretiminde ikinci metod ; bor oksidin amonyak gazıile inert bir dolgu malzemesinin (Ca3PO4) varlığında 900 °C’de nitrürlenmesi ve reaksiyon sonrası saflaştırma ve kristalizasyon amacıyla ısıl işlem uygulanması.

B2O3 + 2 NH3 → 2 BN + 3 H2O



13

BN üretiminde üçüncü metod ; bor oksit veya boraksın, üre ve melamin gibi azot içeren organik bileşiklerle 1000 °C’nin üzerinde nitrürlenmesi.

B2O3 + CO(NH2)2 → 2 BN + CO2 + 2 H2O

BN üretiminde dördüncü metod ; kalsiyum hekzaborür ve bor oksidin, azot gazı ile 1500 °C’nin üzerinde nitrürlenmesi.

B2O3 + 3CaB6 + 10 N2 → 20 BN + 3 CaO

c-BN ise, h-BN’ün yüksek sıcaklık (1400 °C - 1700 °C) ve yüksek basınç (60.000 atm) altında ısıtılmasıyla elde edilir.

H3BO3

B2O3

ÖĞÜTMEÖĞÜTME

DEHİDRASYON 500°CDEHİDRASYON 500°C

B2O3 toz

SENTEZ 900°CSENTEZ 900°CNH3Ca3(PO)2

ÇÖZÜMLENDİRMEÇÖZÜMLENDİRMEH2OHCI

VAKUMLU FİLTRASYONVAKUMLU FİLTRASYON

KRİSTALİZASYONKRİSTALİZASYON

TURBOSTATİK BOR NİTRÜR



14

Ferro BorFerro Bor ağırlık bakımından % 10-20 arasında bor içeren bir demir-bor alaşımıdır.Parlak gümüş rengindedir.Uzun süre neme maruz kaldığında gümüş rengi kaybolur, yüzey kırmızı lekeler içeren mat renge bürünür.

Demir-bor ikili faz diyagramına bakıldığında metaller arası iki bileşik görülmektedir. Bunlar FeB ve Fe2B’dir.



15

Kullanım Alanları

Çelik Üretiminde Ferro BorEn çok kullanıldığı iki alandan biri çelik sanayiidir. Çeliğe ilave edilen çok düşük oranlardaki bor, hem adi karbon çelikleri ve hem de alaşımlı çeliklerin sertleşebilirliğini arttırmaktadır.Alaşımlı çeliklere % 0,001-0,003 arasında bor ilavesi bu çeliklerin yapısında gerek duyulan Ni, Cr ve Momiktarlarını düşürür.Bor çeliğin sertliğini karbür oluşturmak suretiyle arttırır.

Sürekli Manyetler ve Ferro BorFerro bor’un en fazla kullanıldığı diğer bir alan ise Nd-Fe-B esaslı sürekli manyetik malzeme üretimidir.Çok teknik ve spesifik uygulamalarda kullanılır. Farklı derecelerde üretilirler. Bu mıknatıslar sinterlenmişformda oldukları gibi, bağlı formda da üretilebilirler. NdFeB mıknatısları kırılgandır. Fakat samariyum kobalt (SmCo) mıknatıslarına kıyasla kırılganlığı daha iyidir. Mekaniksel işlemler, elmas aletlerle magnetlenmeişleminden önce yapılmalıdır. Bütün NdFeB mıknatısları, bağlı NdFeB B10N mıknatısıharicinde anizotropiktir ve sadece oriyantasyon yönünde magnetikleşme gösterirler. B10 malzemesi ise izotropiktir ve birçok kutupla herhangi bir yönde magnetikleşme gösterirler.



16

Evimizde ve işyerimizde sürekli manyetler aslında bizim bildiğimizden daha önemlidir.Endüstri ve ulaşımda kullanılan motorlarda ve enerji jeneratörlerindeTıbbi ekipmanlarda, ev eşyaları ve oyuncaklardaVideo player, bilgisayarlar ve manyetik saklama cihazlarında kullanılır.

Dökme Demirlerde Ferro BorDökme demirlerde bor, ferro bor ilavesiyle verilir. Burada bor’un birkaç avantajı vardır. Bor dökme demirde karbür yapıcıdır. (% 0,03)Katılaşma esnasında oluşan bu karbürler dökme demirin beyaz renkli olmasını sağlar.% 1 ‘e kadar çıkan oranlarda bor ilavesi, sinterlenmişdökme demirin sinterlenme sıcaklığını büyük ölçüde düşürür.Dökme demirlere % 0,02-0,1 arasında bor katılması, dökme demirin yapısında grafitleşmeyi önler, yüzey sertliğini artırır.



17

Amorf Metallerde Ferro BorCamsı metaller ve metalik camlar adıyla da anılan amorf metaller, kristalin olmayan bir yapıya sahiptir.Amorf metal, ergimiş haldeki metalin hızlı soğutulmasıyla elde edilir.Çok yüksek hızda soğuyan metal katılaşırken kristalleşmeye vakit bulamaz ve metal amorf halde katılaşır. Bu alaşımların kimyasal formülleri ;Fe80B20 Fe40Ni40P14B6 Fe82-xBexB18

Titanyum Diborür TiB2Titanyum diborür yüksek ergime noktası (3225 °C), düşük yoğunluk (4,5 g/cm3), yüksek sertlik (25 GPa), iyi termal iletkenlik (96 W/m/K), yüksek elektrik iletkenliği (22.106 ohm.cm) ve çok iyi kimyasal dayanımı sebebiyle yüksek sıcaklık yapısal malzemeler için uygundur.Yüksek sıcaklık özelliğiyle beraber, nötron absorplamaözelliği nedeniyle yüksek sıcaklık nükleer reaktörleri için çok uygun bir kontrol malzemesidir.Bu malzemenin yaygın kullanım alanları, zırhlarda darbe dayanımını artırmada, kesici aletlerde, krozelerde, aşınmaya dirençli kaplamalardaTiB2 katotlar alüminanın alüminyum metaline elektrokimyasal indirgenmesi sırasında başarıyla kullanılır.



18

Normalde TiB2, titanyum oksidin bor oksit ve karbon veya boroksit ve karbonun indirgenmesi sonucu oluşur. Bu prosesler TiB2 parçacıklarının sinterlendiği uzun reaksiyon zincirlerinden oluşur.TiB2 taneciklerinin tek başına sinterlenmesi çok zor olduğu için, yoğunluğu artırmak için Cr/C, Al2O3, ZrO2,Ni/C, SiC ve YSZ belli oranlarda katılır. Zayıf sinterlenme olduğunda, özelliklerinde negatiflikler görülür. (Düşük difüzyonluk, yüksek sıcaklıklarda tane boyutunun aşırı büyümesi, tanecikler üzerinde oksit tabakası oluşumu gibi)



yrd. doÇ. dr. atİlla evcİn - kimmuh.comcamsı metaller ve metalik camlar adıyla da anılan amorf...

Documents