בורון קרביד מדורג ב-9.3–9.5 בסולם מוהס, כלומר הוא קשה יותר מקربيיד טונגסטן (8.5–9.0) ומפלדה (4–4.5), מה שהופך אותו לשני רק אחרי יהלום וניטריד הבורון הקובייתי מבחינת עמידות באבקשה. עם קשיות ויקرز של כ-30 GPa, הוא עמיד בפני עיוות בתנאי שטיפה של לחץ גבוה, שבהם חומרים רכים יותר מפתחים שברים מיקרוסקופיים תוך שעות.
במהירויות שמעל 650 קמ"ש, הקשיחות של בורון קרביד קשורה ישירות להתנגדות לבליה. סימולציות מעבדה מראות ששיעור הבלאי שלו נמוך פי 12 מפלדת גמיזה בסביבות מחדרי זכוכית. המבנה האטומי שלו מתנגד לעיוות פלסטי, ומונע את "יצירת השפה" הנפוצה במזרקים מקרبيد טונגסטן לאחר שימוש ממושך.
| חומר | שיעור איבוד חומר (גרם/ק"ג חומר מחזק) | אורך חיים תפעולי (שעות) |
|---|---|---|
| בורון קרביד | 0.08 | 750–1,200 |
| טונגסטן קרביד | 0.23 | 300–500 |
| פלדה עתירת כרום | 0.97 | 50–80 |
התוצאות האלה מניסויי דישון מבוקרים (גרניט P50, 80 פסיג') מדגישות את העליונות של בורון קרביד במניעת כשל מוקדם של מזרקים.
המבנה המיקרוסקופי הסינטרג' של קרبيد הבורן מאפיין רשת גבולות גרגרים מחוברים שפועלת על הפצת כוחות מכה באופן אחיד, ובכך מפחיתה את ריכוזי הלחץ המקומיים ב-37% בהשוואה לחומרים מסורתיים. מיקרוסקופיה לאחר בדיקה מגלה שכבות פני שטח שלמות גם לאחר 1,000+ שעות, בעוד קצות מתכת מציגים נזק בעומק 200–300 מיקרומטר בתנאים זהים.
קרبيد בורן שומר על שלמות מבנית במהלך תנודות טמפרטורה מהירות הנפוצות בתהליכי דליקה אברסיביים. מקדם ההתפשטות התרמית הנמוך שלו ממזער שברי עקה, גם כאשר טמפרטורת הפנים עולה על 600° צלזיוס. עמידות זו מונעת התפתחות סדקים מיקרוסקופיים במהלך מחזורי חימום-קירור חוזרים, מה שהופך אותו לאידיאלי ליישומים עתירי עוצמה כמו הכנת משטחים מתכתיים.
קרبيد הבור הוא חומר אינרטי מבחינה כימית, ולכן עמיד בפני התדרדרות עקב חומצות, שפכים אלקליניים או חמצון הנגרם על ידי לחות. מחקרים בלתי תלויים מראים שלא נרשמה התדרדרות מדידה לאחר יותר מ-500 שעות של חשיפה לרמות pH קיצוניות (2–12). יציבות זו מונעת נזקים וקורוזיה הנפוצים ב форסי פלדה, ומבטיחה זרימה קבועה של חומר משכך לאורך זמן.
בטמפרטורה של 400°C, שומר קרبيد הבור על 92% מהקשיחות שלו בטמפרטורת החדר –เหน vượt xa cacbit vonfram (78%) và thép (54%). Khả năng chịu nhiệt này ngăn chặn sự biến dạng trong quá trình hoạt động kéo dài, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động. Dữ liệu thực tế từ việc phun cát lót lò cho thấy hiệu suất tăng 40% so với các loại carbide khác trong điều kiện 550°C kéo dài.
לפי ממצאי סקירת ביצועי חומרי קציצה לשנת 2024, עופרת בורון-קרبيد עולות פי 5 על פני עופרת פלדה ופי 1.8 על פני עופרת קרבייד טונגסטן בסביבות תעשייתיות. עמידות זו נובעת מהקשיחות הקיצונית שלה (30–35 ג'יגה-פאסקל לפי וייקרס), שממזערת איבוד חומר במהלך תקלות חלקיקים במהירות גבוהה. תצפיות מרכזיות בשטח כוללות:
על ידי עמידות בפני קרעים מיקרוסקופיים שמואצים שחיקה, קרبيد הבורון מאריך את תוחלות התחזוקה תוך שמירה על לחץ זריקה אופטימלי.
כשמדובר בדרגות קשיחות, פחמן הבורון מבליט את עצמו עם ערך של כ-2,400 עד 3,100 HV1. זה מעמיד אותו לפני פחמן הטונגסטן, שמתווך בין 2,300 ל-2,600 HV1, וברור מעל סיליקון קרביד שבערכים של 1,400 עד 1,600 HV1. יתרון משמעותי נוסף לפחמן הבורון הוא המשקל הקל שלו, שכן צפיפותו היא רק 2.5 גרם לסמ"ק, בהשוואה לצפיפות הגבוהה יותר של סיליקון קרביד, 3.16 גרם לסמ"ק. כלומר, יצרנים יכולים לייצר חלילים שהם חזקים ולא כבדים מדי, כך שלא יהפכו לקטועים בתפעול. ערכי עמידות השבירה קרובים למדי בין החומרים הללו, ועומדים בדרך כלל בין 2 ל-4 MPa·m¹/². אך מה שעושה את פחמן הבורון באמת לבלוט הוא שהקשיחות היוצאת דופן שלו עוזרת לעצור את התפשטות הסדקים כאשר הם נתונים לזריקות לחץ עזות שמתקיימות לעיתים קרובות בסביבות תעשייתיות.
למיונקות של בורון קרביד בהחלט יש מחיר גבוה יותר, בערך פי שלוש עשרה ממה שפלדה עולה, אך הן חוסכות כסף לאורך זמן. חברות כרייה גילו שמיונקות יקרות אלו מקטינות את עלות הפעילות הכוללת בכ-62 אחוז לאחר חמישה שנים בלבד, שכן אינן דורשות החלפה מתמדת. תפעול קטן של פחות מ-500 שעות בשנה עשוי למצוא שקרبيد טונגסטן מתאים יותר לתקציב בהתחלה. אבל שחקנים גדולים? הם בדרך כלל מחזירים את הכסף שהשקיעו תוך שמונה עד שתים עשרה חודשים, מאחר שמערכות בורון קרביד אלו נמשכות הרבה יותר זמן. אנחנו מדברים על חיי שירות שמתאריכים לכ-18,000 שעות, כמעט פי שניים מהזמן שאפשר לצפות לו מקרبيد טונגסט);
פעולות חפירה של שיאל מראות תוצאות מרשים כאשר משתמשים בפייתורים מקרبيد הבורון. פייתורים אלו שומרים על כ-90% מהגודל המקורי שלהם גם לאחר שהופעלו למשך 2,000 שעות רצופות נגד מעטפות צמנט. זהו שיפור משמעותי לעומת חלופות מקרبيد הסיליקון, שנשחקות במהירות של 40% יותר כשיש עימות עם חומרי גלם קשיחים ועשירים בסיליקה. צוותי השטח שמו לב גם לדבר נוסף: הם צריכים להפסיק לצורך תחזוקה פחות בכ-35% בהשוואה לדגמים הישנים יותר מקרبيد טונגסטן. הבדל זה בולט במיוחד באזורים עם ריכוז גבוה של מים מלוחים. למה? משום שבורון פשוט אינו מגיב עם כלורידים כמו חומרים אחרים, ולכן נוצרת בעיה מזערית של פירור (pitting) שהיא שכיחה במתקני חפירה רבים.
ייצור מודרני מגיע לעל 98% צפיפות תיאורטית בקרبيد הבורון באמצעות שיזור בהפעלת לחץ בטמפרטורות של מעל 2,200° צלזיוס, בתנאי אטמוספירה מבוקרת. תהליך זה מסיר חללים מיקרוסקופיים שהו בסיס להתרחשות שברים. המבנה המיקרוסקופי ההומוגני שמתקבל משפר את עמידות השבר ב-15%, ובכך מאריך ישירות את אורך החיים בשימוש ביישומים של פגיעה חזקה.
בימים אלה, דינמיקה נוזלית מחושבת או CFD מעצבת איך מהנדסים מעצבים את הפרופילים של חור קוטי שמפחיתים את הטורבולנציה בעת התעסוקה עם חומרים סחוטים. בדיקות בעולם האמיתי מראות תוצאות מרשימות למדי גם אלה צורות מעוקלות לגרום ירידה של 22 אחוזים בערך בהפסד מהירות יציאה תוך קיצוץ של סחיפת קיר בכ-31 אחוזים. מה שזה אומר למעשה הוא שהמעבר החיוני של הגרון נשאר עקבי במשך זמן ארוך פי שלושה בהשוואה לעיצובים ישנים יותר של חור ישר, המתמודדים עם תנאי פעולה דומים. עבור צוותי תחזוקה, זה מתורגם למספר פחות של הפסקות והחלפות פחות תכופות לאורך זמן.
בימים אלה, מהנדסים מתקינים ליבות של בורון קרביד בתוך מעטפות מפולימר מחוזק בפחמן (CFRP). התוצאה היא שילוב בין יכולת הסרמיקה לעמוד בתוסס לבין היכולת של החומר המורכב לספוג פגיעות. העיצוב ההיברידי החדש הזה עונה בצורה ישירה על הפגיעות המכניות הגורמות לכ-58 אחוז מהכישלונות המוקדמים שנראו בגירסאות הישנות יותר. ויתרה מכך: הרכבים החדשים שוקלים פחות בכ-14% מהקודמים, ובכל זאת משמרים יציבות בלחצים של עד 150 PSI. עבור עובדים עם ציוד שטיפה נייד, הפחתה במשקל יוצרת הבדל משמעותי בניהול ובניידות במהלך פעולות בשטח.
EN
