کاربید بور در مقیاس موهر دارای سختی 9.3 تا 9.5 است که از کاربید تنگستن (8.5 تا 9.0) و فولاد (4 تا 4.5) سختتر است و تنها پس از الماس و نیترید بور مکعبی در مقاومت در برابر سایش قرار دارد. با سختی ویکرز حدود 30 گیگاپاسکال، این ماده در شرایط سندبلاست با تنش بالا در برابر تغییر شکل مقاوم است، در حالی که مواد نرمتر در عرض چند ساعت دچار ترکهای ریز میشوند.
در سرعتهای بالاتر از ۶۵۰ کیلومتر بر ساعت، سختی بورون کاربید به طور مستقیم با مقاومت در برابر فرسایش مرتبط است. شبیهسازیهای آزمایشگاهی نشان میدهند که نرخ سایش آن در محیطهای ساینده سیلیسی ۱۲ برابر کمتر از فولاد سختشده است. ساختار اتمی آن در برابر تغییر شکل پلاستیک مقاومت میکند و از «تشکیل لبه» که معمولاً در نازلهای کاربید تنگستن پس از استفاده طولانیمدت دیده میشود، جلوگیری میکند.
| متریال | نرخ فرسایش (گرم بر کیلوگرم ساینده) | طول عمر عملیاتی (ساعت) |
|---|---|---|
| کاربید بورون | 0.08 | 750–1,200 |
| کاربید تنگستن | 0.23 | 300–500 |
| فولاد با کروم بالا | 0.97 | 50–80 |
این نتایج حاصل از آزمایشهای کنترلشده سندبلاست (گارنت P50، ۸۰ پسی) برتری بورون کاربید در جلوگیری از خرابی زودهنگام نازل را نشان میدهد.
ریزساختار سینترشده کاربید بور دارای شبکه مرز دانههای قفلشده است که نیروهای ضربهای را بهصورت یکنواخت توزیع میکند و تمرکز تنش محلی را تا 37٪ نسبت به مواد سنتی کاهش میدهد. بررسی ریزساختار پس از آزمون نشان میدهد لایههای سطحی حتی پس از 1000 ساعت و بیشتر دستنخورده باقی میمانند، درحالیکه نازلهای فولادی تحت شرایط یکسان دچال خوردگی به عمق 200 تا 300 میکرومتر میشوند.
کاربید بور در طول نوسانات سریع دما که در فرآیند سایش رایج است، یکپارچگی ساختاری خود را حفظ میکند. ضریب انبساط حرارتی پایین آن، ترکهای ناشی از تنش را به حداقل میرساند، حتی زمانی که دمای سطحی از 600 درجه سانتیگراد فراتر میرود. این مقاومت از ایجاد ترکهای ریز در چرخههای مکرر گرمایش-سرمایش جلوگیری میکند و آن را به مادهای ایدهآل برای کاربردهای پر شدت مانند آمادهسازی سطوح فلزی تبدیل میکند.
کاربید بورون از نظر شیمیایی بیاثر است و در برابر تخریب ناشی از مواد ساینده اسیدی یا قلیایی و اکسیداسیون ناشی از رطوبت مقاومت میکند. مطالعات مستقل نشان میدهند که پس از بیش از 500 ساعت قرار گرفتن در معرض شرایط حدی pH (2 تا 12) هیچ کاهش قابل اندازهگیری در خواص آن رخ نداده است. این پایداری مشکلات رایج فرسایش نقطهای و خوردگی در نازلهای فولادی را حذف میکند و اطمینان از نرخ جریان یکنواخت مواد ساینده در طول زمان فراهم میکند.
در دمای 400°C، کاربید بورون 92٪ سختی خود در دمای محیط را حفظ میکند — که بهطور قابل توجهی از کاربید تنگستن (78٪) و فولاد (54٪) بهتر عمل میکند. این مقاومت حرارتی از تغییر شکل در عملیات طولانی مدت جلوگیری میکند و توقفهای کار را به حداقل میرساند. دادههای میدانی از عملیات سایش خطوط کوره نشان میدهد که تحت شرایط پایدار 550°C، بهرهوری 40٪ نسبت به جایگزینهای کاربیدی افزایش یافته است.
بهگفته یافتههای بررسی عملکرد مواد ساینده ۲۰۲۴، نازلهای کاربید بورون عمری ۵ برابر طولانیتر از فولاد و ۱٫۸ برابر طولانیتر از کاربید تنگستن در محیطهای صنعتی دارند. این دوام بالا ناشی از سختی بسیار زیاد آن (۳۰ تا ۳۵ گیگاپاسکال بر اساس آزمون ویکرز) است که از اتلاف ماده در اثر برخوردهای ذرات با سرعت بالا به حداقل میرساند. مشاهدات کلیدی در محل عبارتند از:
با مقاومت در برابر ترکهای ریز که سایش را تسریع میکنند، کاربید بورون فواصل نگهداری را افزایش داده و فشار پاشش بهینه را حفظ میکند.
در مورد رتبهبندی سختی، کاربید بورون در حدود 2,400 تا 3,100 HV1 برجسته میشود. این مقدار آن را از کاربید تنگستن که دارای سختی بین 2,300 تا 2,600 HV1 است پیشی میگیرد و بهمراتب بالاتر از مقدار 1,400 تا 1,600 HV1 برای کاربید سیلیسیم قرار میدهد. مزیت بزرگ دیگر کاربید بورون، وزن سبکتر آن است، زیرا چگالی آن تنها 2.5 گرم بر سانتیمتر مکعب است، در مقایسه با چگالی بیشتر کاربید سیلیسیم که 3.16 گرم بر سانتیمتر مکعب است. این بدین معناست که تولیدکنندگان میتوانند نازلهایی بسازند که هم محکم باشند و هم آنقدر سنگین نباشند که در حین کار با آنها مشکل ایجاد شود. اعداد مقاومت در برابر شکست (toughness) در این مواد در واقع بسیار به هم نزدیک هستند و معمولاً بین 2 تا 4 MPa·m¹/² قرار دارند. اما چیزی که کاربید بورون را واقعاً متمایز میکند، سختی استثنایی آن است که از گسترش ترکها در برابر فشارهای شدید ناشی از عملیات صنعتی جلوگیری میکند.
نازلهای کاربید بورون قطعاً قیمت بالاتری دارند، حدود سیزده برابر فولاد، اما در بلندمدت پول صرفهجویی میکنند. شرکتهای معدنکاری دریافتهاند که این نازلهای گرانقیمت پس از تنها پنج سال، هزینههای کلی را حدود شصت و دو درصد کاهش میدهند، زیرا نیازی به تعویض مداوم نیست. عملیات کوچکی که کمتر از ۵۰۰ ساعت در سال کار میکنند، ممکن است ابتدا کاربید تنگستن مناسبتری از نظر بودجه باشد. اما بازیگران بزرگ؟ آنها معمولاً وجه سرمایهگذاری خود را در عرض هشت تا دوازده ماه بازیابی میکنند، زیرا این سیستمهای کاربید بورون بسیار طولانیتر دوام دارند. ما در مورد عمر مفیدی صحبت میکنیم که از ۱۸ هزار ساعت فراتر میرود، تقریباً دو برابر عمر کاربید تنگستن. این سطح از دوام در بررسی هزینههای عملیاتی در طول زمان تفاوت بزرگی ایجاد میکند.
عملیات حفاری شیل با استفاده از نازلهای کاربید بور، نتایج قابل توجهی را نشان میدهد. این نازلها حدود ۹۰ درصد از اندازه اولیه خود را حتی پس از ۲۰۰۰ ساعت پالایش مداوم علیه لولههای سیمانی حفظ میکنند. این عملکرد بسیار بهتر از جایگزینهای کاربید سیلیکون است که تمایل دارند در مواجهه با مواد ساینده غنی از سیلیس، حدود ۴۰ درصد سریعتر فرسوده شوند. تیمهای عملیاتی همچنین نکته دیگری را متوجه شدهاند: نسبت به مدلهای قدیمیتر کاربید تنگستن، نیاز به توقف برای نگهداری و تعمیرات حدود ۳۵ درصد کمتر میشود. این تفاوت در مناطقی که محتوای آب شور زیاد است به وضوح بیشتر مشهود میشود. دلیل چیست؟ بور با یونهای کلرید واکنش نمیدهد، برخلاف سایر مواد، بنابراین مشکل آزاردهنده حفرهدار شدن (pitting) که بسیاری از سیستمهای حفاری را تحت تأثیر قرار میدهد، بسیار کاهش مییابد.
تولید مدرن با استفاده از سینتر کردن با فشار در دمایی بالاتر از 2200 درجه سانتیگراد و در محیط کنترلشده، به دانسیته نظری بیش از 98٪ در کاربید بور میرسد. این فرآیند منافذ میکروسکوپی را که قبلاً به عنوان نقاط آغاز ترک عمل میکردند، حذف میکند. ساختار ریز همگن حاصل، چقرمگی شکست را تا 15٪ بهبود میبخشد و به طور مستقیم عمر مفید در کاربردهای با ضربه بالا را افزایش میدهد.
امروزه، دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD در حال شکلدهی به نحوهای است که مهندسان پروفایلهای شیبدار سوراخ را طراحی میکنند تا از ایجاد آشفتگی در هنگام کار با مواد ساینده بکاهند. آزمایشهای واقعی نیز نتایج قابل توجهی نشان میدهند؛ این اشکال منحنی باعث کاهش حدود ۲۲ درصدی تلفات سرعت خروجی و کاهش سایش دیواره به میزان تقریبی ۳۱ درصد میشوند. از دید عملی، این بدان معناست که قطر حلقهٔ مهم تقریباً سه برابر طولانیتر نسبت به طرحهای قدیمیتر با سوراخ صاف تحت شرایط کاری مشابه، ثابت باقی میماند. برای تیمهای نگهداری، این امر به معنای توقفهای کمتر و تعویضهای کمترددتر در طول زمان است.
امروزه، مهندسان هستههای کاربید بور را درون پوستههای تقویتشده با الیاف کربن (CFRP) قرار میدهند. نتیجه این کار ترکیبی از توانایی سرامیک در مقاومت در برابر سایش و ظرفیت مواد کامپوزیتی در تحمل ضربه است. این طراحی ترکیبی جدید در واقع به این شوکهای مکانیکی که حدود ۵۸ درصد از خرابیهای زودهنگام در نسخههای قدیمیتر را ایجاد میکنند، غلبه میکند. و نکته دیگر این است: این مجموعههای جدید وزنی حدود ۱۴٪ کمتر از قبل دارند و در عین حال همچنان در فشارهای تا ۱۵۰ PSI مقاومت میکنند. برای افرادی که با تجهیزات سندبلاست قابل حمل کار میکنند، این کاهش وزن تفاوت چشمگیری در راحتی کار و تحرک در عملیات واقعی ایجاد میکند.
EN
