Борният карбид има твърдост 9,3–9,5 по скалата на Моос, което надминава твърдостта на твърдия метал (8,5–9,0) и стоманата (4–4,5), като по този показател отстъпва единствено на диаманта и кубичния нитрид на бор по устойчивост на абразивно износване. При твърдост по Викерс от около 30 GPa той устоява на деформации при високонапрежени условия на изстрелване, при които по-меки материали развиват микротръпвания в рамките на часове.
При скорости над 650 км/ч твърдостта на борния карбид е в директна зависимост от устойчивостта към ерозия. Лабораторни симулации показват, че нивото на износване е 12 пъти по-ниско в сравнение със закалена стомана в среди с абразивен силекс. Неговата атомна структура устои на пластична деформация, предотвратявайки образуването на „издут ръб“, често срещано при соплата от волфрамов карбид след продължителна употреба.
| Материал | Скорост на ерозия (г/кг абразив) | Експлоатационен живот (часа) |
|---|---|---|
| Борен карбид | 0.08 | 750–1,200 |
| Тунгътен карбид | 0.23 | 300–500 |
| Високочастотна стомана | 0.97 | 50–80 |
Тези резултати от контролирани изпитвания с пясък (P50 гранат, 80 psi) подчертават доминиращата роля на борния карбид в предотвратяването на преждевременно повредени сопла.
Спечелената микроструктура на борния карбид притежава преплетена граница между зърната, която разпределя ударните сили равномерно, намалявайки локализираните концентрации на напрежение с до 37% в сравнение с традиционни материали. Микроскопия след тестовете показва непокътнати повърхностни слоеве дори след над 1000 часа, докато стоманени дюзи показват ерозия с дълбочина 200–300 µm при идентични условия.
Борният карбид запазва структурната си цялост по време на бързи температурни промени, характерни за абразивното изстрелване. Неговият нисък коефициент на топлинно разширение минимизира напрежителни пукнатини, дори когато повърхностните температури надвишават 600°C. Тази устойчивост предотвратява образуването на микропукнатини по време на многократни цикли на нагряване-охлаждане, което го прави идеален за високоинтензивни приложения като подготовка на метални повърхности.
Борният карбид е химически инертен, устойчив на деградация от кисели или алкални абразиви и окисляване, предизвикано от влага. Независими изследвания показват, че след повече от 500 часа излагане на екстремни стойности на рН (2–12) не се наблюдава измеримо влошаване. Тази стабилност премахва проблемите с пукнатини и корозия, типични за стоманени дюзи, осигурявайки постоянна скорост на подаване на абразива с течение на времето.
При 400°С борният карбид запазва 92% от твърдостта си при стайна температура – значително по-добре от волфрамовия карбид (78%) и стоманата (54%). Тази термична устойчивост предотвратява деформация по време на продължителна работа, намалявайки прекъсванията. Полеви данни от обработката на пещни футери показват 40% по-висока производителност в сравнение с карбидните алтернативи при продължителни условия на 550°С.
Според данни от Прегледа на представянето на абразивни материали за 2024 г., дюзи от борен карбид издържат 5 пъти по-дълго от стоманени и 1,8 пъти по-дълго от тези от волфрамов карбид в промишлени условия. Тази издръжливост се дължи на крайната твърдост (30–35 GPa по Викерс), която минимизира загубата на материал при ударите с високоскоростни частици. Основните наблюдения от полеви изследвания включват:
Като устои на микротрещини, които ускоряват износването, боридът на бория удължава интервалите между поддръжките, като запазва оптималното налягане при обработката чрез абразивно пръскане.
Когато става въпрос за твърдост, борният карбид се отличава с около 2 400 до 3 100 HV1. Това го поставя пред волфрамовия карбид, който варира между 2 300 и 2 600 HV1, и значително над карбида на силиция с неговите 1 400 до 1 600 HV1. Друго голямо предимство на борния карбид е по-лекото му тегло, тъй като има плътност само от 2,5 грама на кубичен сантиметър в сравнение с по-тежкия 3,16 г/см³ на карбида на силиция. Това означава, че производителите могат да изграждат дюзи, които са едновременно здрави и не толкова тежки, че да стават неудобни по време на работа. Числата за чупливостта всъщност са доста близки за тези материали, обикновено между 2 и 4 MPa·m¹/². Но това, което наистина прави борния карбид да изпъква, е как неговата изключителна твърдост помага да се спре разпространението на пукнатини при интензивни натискови вълни, с които оборудването често се сблъсква в промишлени условия.
Соплата от борид на бория определено имат по-висока цена, около тринадесет пъти по-висока от тази на стоманата, но в дългосрочен план те спестяват средства. Минните компании установиха, че тези скъпи сопла намаляват общите разходи с около шестдесет и два процента след само пет години, защото няма нужда от постоянна подмяна. Малките операции, работещи по-малко от 500 часа годишно, може да установят, че карбидът на волфрам е по-добро решение за техния бюджет първоначално. Големите играчи обаче? Те обикновено си възвръщат парите в рамките на осем до дванадесет месеца, тъй като тези системи от борид на бория служат значително по-дълго. Говорим за срок на служене над 18 хиляди часа, почти два пъти по-дълъг в сравнение с този на карбида на волфрам. Такава издръжливост прави голяма разлика при оценката на операционните разходи в дългосрочен план.
Сондирането на сланести скали показва впечатляващи резултати при използване на дюзи от борен карбид. Тези дюзи запазват около 90% от първоначалния си размер, дори след като са работили непрекъснато в продължение на 2000 часа срещу циментови обвивки. Това е значително по-добре в сравнение с алтернативите от силициев карбид, които се износват приблизително с 40% по-бързо при работа с високосилни абразиви. Екипажите на терен са забелязали още нещо – те трябва да спират за поддръжка приблизително с 35% по-рядко в сравнение с по-старите модели от волфрамов карбид. Тази разлика е особено забележима в райони с високо съдържание на морска вода. Причината? Борът просто не реагира с хлоридите, както други материали, поради което проблемът с образуването на дупки, характерен за много сондажни системи, е значително намален.
Съвременното производство постига над 98% от теоретичната плътност на борния карбид чрез спечелване с прилагане на налягане при температури над 2200°C в контролирани атмосфери. Този процес елиминира микроскопични празнини, които традиционно са действали като места за започване на пукнатини. Получената хомогенна микроструктура подобрява чупливостта с 15%, което директно удължава живота на продукта при приложения с високи ударни натоварвания.
В днешно време изчислителната динамика на флуидите или CFD оформя начина, по който инженерите проектират тези конични форми на отвора, които намаляват турбулентността при работа с абразивни материали. Резултатите от реални изпитвания също са впечатляващи – тези извити форми водят до спад в загубите на изходна скорост с около 22 процента, като едновременно намаляват ерозията на стените с приблизително 31 процента. На практика това означава, че жизненоважният диаметър на гърлото остава постоянен около три пъти по-дълго в сравнение с по-старите прави конструкции при подобни работни условия. За екипите по поддръжка това означава по-малко спирания и по-редки подмяны с течение на времето.
В днешни дни инженерите поставят ядра от борен карбид в корпуси от въглеродно-армиран полимер (CFRP). Резултатът е комбинация от способността на керамиката да устои на износване и от устойчивостта на композитния материал срещу ударни натоварвания. Този нов хибриден дизайн всъщност преодолява механичните удари, които причиняват около 58 процента от ранните повреди при по-старите версии. Ето още едно предимство: тези нови сглобки тежат около 14% по-малко в сравнение с предишните, но все пак издържат на налягане до 150 PSI. За хората, работещи с преносими абразивни системи, намаляването на теглото прави голяма разлика при управлението и мобилността по време на реални операции.
EN
